Новое исследование раскрывает молекулярные детали того, как органический аэрозоль способствует нагреву и окрашиванию смога над мегаполисами

Пассажиры самолета, заходящего на посадку в солнечный день почти в любом крупном городе, могут наблюдать стойкую коричневую дымку. Это явление связано с климатическими проблемами, поскольку тысячи вовлеченных химических веществ действуют как согревающее одеяло, поглощая солнечный свет и удерживая тепло у поверхности. Однако химия этого смога изучена недостаточно. Недавно ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) исследовали химию бурого углерода — вредоносного компонента частиц в смоге. Они сосредоточились на частицах, образующихся вокруг химического вещества толуола, распространенного загрязнителя. Было обнаружено, что добавление небольшого количества оксида азота, выделяемого выхлопными газами автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, приводит к образованию частиц, удерживающих некоторое количество тепла. Однако увеличение уровня оксидов азота привело к частицам, которые удерживали значительно больше тепла и вызывали пожелтение и побурение смеси.

Результаты исследования представлены на обложке недавнего выпуска журнала Physical Chemistry Chemical Physics.

Для решения современных проблем качества воздуха и минимизации будущих проблем ученым необходимо точно предсказывать структуру и поведение различных типов частиц. Это исследование дает новое понимание эволюции и поведения менее изученного типа частиц, называемого «бурым углеродом». Бурый углерод состоит из органических молекул, поглощающих и удерживающих тепло. Результаты могут привести к созданию более точных прогностических моделей для будущих решений в области производства и использования энергии, а также к лучшему пониманию изменений климата.

Команда PNNL использовала подход «создать-измерить-смоделировать». Доктор Джон Шиллинг и доктор Цзюмэн Лю синтезировали частицы бурого углерода, смешивая распространенный антропогенный загрязнитель толуол с оксидами азота в атмосферной камере PNNL. Они подвергали полученный газ воздействию света, фотоокисляя смесь, чтобы имитировать естественный процесс старения, происходящий в атмосфере. Результатом стали частицы со свойствами, характерными для бурого углерода.

Полученный материал передали доктору Александру Ласкину, доктору Джулии Ласкин и доктору Пенгу Лину. Используя аналитические возможности Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде (EMSL), включая масс-спектрометрию высокого разрешения, они исследовали молекулярные структуры и оптические свойства химических компонентов этого материала. На основе экспериментальных результатов доктор Шон Катманн провел серию детальных расчетов. Он определил возбужденные электронные состояния в 15 хромофорах (светопоглощающих структурах) и предоставил теоретические химические данные о механизмах поглощения света этими молекулами. Этот результат начинает формировать список «действующих лиц», образующих смог над городами, и позволяет ученым лучше предсказывать свойства других частиц.

Команда продолжает дальнейшие исследования свойств бурого углерода для информирования вычислительных моделей, оценивающих энергетические решения и их влияние на климат.