Миллиарды частиц сажи попадают в атмосферу Земли каждую секунду, что в сумме составляет около 5,8 миллиона метрических тонн в год. Это оказывает влияние на потепление климата, которое ранее оценивалось почти в треть от воздействия углекислого газа.
Новые исследования
Исследователи утверждают, что свойства частиц сажи, влияющие на климат, могут меняться в течение всего нескольких часов после попадания в воздух, а не дней, как предполагалось ранее.
Результаты исследования
Исследование, проведённое под руководством учёных из Технологического института Нью-Джерси (NJIT), показало удивительную скорость, с которой частицы сажи собирают химические вещества и водяной пар после попадания в атмосферу.
Учёные говорят, что быстрое преобразование частиц сажи в воздухе, известное как «атмосферное старение», может означать, что её воздействие на погоду, климат и качество воздуха происходит быстрее и иными способами, чем это учитывалось в текущих атмосферных моделях.
Выводы исследования
«Сажа — это уникальный аэрозоль, который очень хорошо поглощает солнечный свет, но почти не рассеивает его, что делает её мощным климатическим агентом с момента выброса», — сказал Алексей Хализов, профессор химии в NJIT и старший автор исследования.
«Нас удивило, насколько быстро сажа изменяется после попадания в воздух, кардинально меняя свою способность нагревать или охлаждать атмосферу. Наши результаты показывают, что прогнозирование климатического воздействия сажи гораздо сложнее, чем предполагалось ранее», — добавил он.
До недавнего времени, по словам Хализова, многое оставалось неизвестным о том, как быстро наночастицы сажи меняют форму и химический состав в воздухе и как эти изменения влияют на их способность улавливать или отражать солнечную энергию, известную как радиационное воздействие.
Согласно Хализову, частицы сажи быстро приобретают химические покрытия за счёт капиллярной конденсации — процесса, при котором крошечные трещины на неровных поверхностях частиц сажи втягивают химические пары. При повышении влажности собранные на частицах сажи химические вещества помогают им поглощать воду, теперь уже за счёт капиллярной конденсации водяного пара. Это изменение формы частиц и их поведения. Гидратированные частицы также могут способствовать образованию облаков, отражая солнечный свет и охлаждая атмосферу.
«До сих пор модели рассматривали частицы сажи как простые сферы, но на самом деле частицы сажи представляют собой агрегаты — скопления множества более мелких частиц. Их кружевная форма позволяет саже собирать химические вещества гораздо быстрее, чем считалось ранее», — пояснил Хализов.
В лаборатории аэрозолей и атмосферной химии NJIT команда использовала специально созданную аэрозольную систему для изучения того, как частицы сажи изменяются после попадания в атмосферу, уделяя особое внимание частицам шириной около 240 нанометров — типичному размеру атмосферной сажи.
Группа подвергла эти частицы воздействию следовых газов, таких как серная кислота и продукты окисления летучих органических соединений (ЛОС) при различных уровнях влажности, чтобы имитировать реальные атмосферные химические и влажные условия.
Команда отслеживала ключевые изменения, связанные с атмосферным старением, в режиме реального времени, измеряя такие параметры, как размер частиц, масса и форма, с помощью передовых инструментов. Образцы затем были собраны и исследованы с помощью сканирующих электронных микроскопов, что позволило увидеть, как частицы эволюционировали в высоком разрешении.
Для дополнения своих экспериментов исследователи сотрудничали с лабораторией NJIT по изучению границ раздела материалов под руководством профессора Геннадия Гора, чтобы разработать новую компьютерную модель для имитации того, как химические пары конденсируются на саже, образуя жидкие покрытия, которые повышают способность частиц притягивать влагу и образовывать облака — ключевые факторы их климатического воздействия.
Результаты показали, что частицы сажи начинают формировать покрытия и менять форму в течение десятков минут, причём почти 80% частиц обрабатываются через несколько часов. Для сравнения: в симуляциях, где сажа рассматривалась как сферы, только 20% частиц стали обработанными, и это заняло гораздо больше времени.
Эта быстрая трансформация делает частицы более компактными и увеличивает их поглощение солнечного света, усиливая их согревающий эффект, по словам Хализова.
«Изначально эти пушистые частицы после смешивания с другими химическими веществами меняют форму на более плотные комки и становятся более склонными к поглощению солнечного света и преобразованию его в тепло, производя больше потепления», — пояснил он. «В то же время они отражают больше света и образуют облака, что приводит к охлаждению. Эти два конкурирующих эффекта усложняют прогнозирование общего воздействия сажи, пока её частицы находятся в воздухе».
Хализов сказал, что результаты исследования могут привести к более точным прогнозам экологических последствий сажи, помогая моделям лучше представлять, как частицы сажи изменяются и влияют на климат и качество воздуха с течением времени.
Команда планирует изучить, как эти изменения влияют на время жизни сажи в атмосфере и её более широкое воздействие на погодные условия и здоровье населения.
«Наше исследование рассматривало старение сажи в отдалённой среде. Следующие важные вопросы связаны с выяснением роли этого нового механизма старения в загрязнённой городской среде и его проверкой в рамках крупномасштабной климатической модели», — отметил Хализов. «Решение этих вопросов будет ключом к более эффективному управлению климатическим следом сажи».
Источник: [New Jersey Institute of Technology](https://phys.org/partners/new-jersey-institute-of-technology/)