Годы исследований вторичных органических аэрозолей снижают неопределенность в климатических прогнозах

В течение последних 20 лет значительная часть частиц, измеряемых в атмосфере, отсутствовала в климатических моделях. В лучшем случае модели могли объяснить лишь одну десятую богатых углеродом вторичных органических аэрозолей (SOA), обнаруженных в воздухе. Проблема оказалась в серии фундаментальных допущений, использовавшихся в моделях из-за нехватки экспериментальных данных. Модели предполагали, что частицы являются жидкостями, которые быстро конденсируются или испаряются и перемешиваются внутри в ответ на изменения в окружающей атмосфере. Они также предсказывали, что частицы, особенно мелкие, имеют довольно короткое время жизни после удаления от источников. Все эти и другие допущения были опровергнуты доктором Аллой Зеленюк и её коллегами из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Imre Consulting, Вашингтонского университета и Калифорнийского университета в Ирвайне.

Эти частицы, генерируемые природными и антропогенными источниками, важны из-за их влияния на качество воздуха и здоровье, а также их воздействия на климат через рассеяние и поглощение солнечной радиации и влияние на формирование и свойства облаков.

Стремясь найти причину расхождений, исследователи начали с разработки новых подходов для изучения реального вида и эволюции этих частиц в атмосфере. Они создали SPLAT II — масс-спектрометр второго поколения для изучения единичных частиц. Этот высокоточный и чувствительный прибор позволяет изучать основные процессы и свойства наночастиц. Он используется в EMSL Министерства энергетики США, а также доставляется на полевые площадки для работы на земле и на борту исследовательских самолетов в США, Южной Корее и Германии.

С помощью SPLAT II ученые измерили в лаборатории и в полевых условиях форму, размер, плотность, состав, скорость испарения и другие свойства частиц, содержащих SOA. Результаты показали, что частицы SOA далеки от идеальных жидких сфер, предполагаемых в моделях. Реальные частицы SOA являются высоковязкими полутвердыми образованиями со сложным составом и многослойной структурой.

Команда впервые напрямую измерила химическую диффузию молекул-индикаторов в частицах SOA, установив, что эти частицы смолоподобны и в миллионы раз более вязки, чем предполагалось. Эта вязкая природа позволяет частицам улавливать токсичные полициклические ароматические углеводороды (PAH) и другие химические вещества, которые в противном случае быстро испарились бы. Ученые обнаружили симбиотические отношения между PAH и частицами SOA. PAH "путешествуют автостопом" на частицах и в процессе помогают SOA дольше сохраняться в атмосфере. Это явление объясняет, как загрязнители антропогенного происхождения с автотрасс Калифорнии или от сжигания биомассы в Азии могут переноситься далеко от своих источников в pristine среды, такие как Арктика.

Частицы SOA, даже без PAH, являются долгоживущими. Некоторые ученые полагали, что частицы испаряются почти мгновенно при повышенной влажности. Однако Зеленюк и её команда обнаружили, что частицы испаряются на порядки медленнее во всех атмосферно-релевантных условиях.

Сейчас команда работает с разработчиками атмосферных моделей, чтобы включить эту независимо проверенную информацию. Исследователи создали новую, основанную на измерениях парадигму SOA, которая теперь лежит в основе трехмерных региональных и глобальных климатических моделей для корректного представления свойств SOA. Эти модели демонстрируют значительно более высокие концентрации и более длительное время жизни аэрозолей в атмосфере, устраняя давнее расхождение между наблюдениями и прогнозами моделей.