Исследование раскрывает механизм зимнего образования крупных загрязняющих частиц в небе Китая

Учёные из Школы наук о Земле и атмосфере выяснили, что опасные сульфаты образуются и увеличиваются в размерах непосредственно в шлейфах выбросов угольных электростанций. Частицы, содержащиеся в зимнем смоге над Пекином, включают сульфаты — основной источник загрязнения атмосферного воздуха, вредящий лёгким и усугубляющий симптомы астмы. Обычно сульфаты образуются за счёт атмосферного окисления летом, когда обилие солнечного света способствует превращению диоксида серы (SO₂) в опасные аэрозольные частицы. Однако в Китае экстремальное загрязнение с высоким содержанием сульфатов наблюдается и зимой, когда солнечного света мало, а атмосферное окисление замедленно.

Исследовательская группа профессора Юханга Вана, возможно, нашла ответ: все химические реакции, необходимые для превращения SO₂ в триоксид серы (SO₃), а затем быстро в сульфат, происходят в основном внутри самих дымовых шлейфов. Этот процесс не только создаёт сульфаты зимой, но и протекает быстрее, приводя к образованию более крупных частиц сульфата в атмосфере. Учёные называют этот источник «внутриисточниковым образованием». Концентрированное производство в выхлопных шлейфах превращает серную кислоту в крупные частицы сульфата, что объясняет их наличие в Китае.

Это открытие поможет точнее оценить влияние аэрозолей на радиационный форсинг (влияние изменения климата и глобального потепления на энергетический и тепловой баланс Земли) и на здоровье человека, поскольку более крупные аэрозоли означают большее их осаждение в лёгких. Исследование «Зимнее образование крупных сульфатных частиц в Китае и последствия для здоровья человека» опубликовано в журнале Environmental Science & Technology.

Профессор Ван отмечает, что проблема зимнего смога, от исторического Великого лондонского смога 1952 года до экстремального загрязнения в Китае, долгое время оставалась необъяснимой с точки зрения механизма образования сульфатов. Измерения показали, что зимние сульфатные частицы в Китае (например, в январе 2013 года) были значительно крупнее (около 1 микрона), чем частицы, образующиеся в результате обычного фотохимического окисления (0.3–0.5 микрона). Наблюдения за частицами микронного размера указывают на то, что сульфаты подвергаются значительному росту в среде, богатой SO₃.

Более крупные частицы увеличивают риски для здоровья. При увеличении размера аэрозолей общее их осаждение в дыхательной системе человека, по оценкам, возрастает на 10–30%. Ключевым звеном химического процесса, превращающего SO₂ в SO₃ и увеличивающего частицы, может быть каталитическое окисление диоксида серы до серной кислоты с участием переходных металлов. Высокие температуры, кислотность и содержание воды в выхлопе могут значительно ускорить это каталитическое окисление по сравнению с реакциями в окружающей атмосфере.

Выводы исследования указывают на возможность сокращения опасного загрязнения путём внедрения технологий охлаждения и удаления SO₃, серной кислоты и твёрдых частиц из выбросов угольных электростанций. Разработка и внедрение таких технологий будут полезны для многих стран мира, особенно тех, которые в значительной степени полагаются на уголь как на основной источник энергии.