Исследование, проведенное в крупнейшей в мире лаборатории физики элементарных частиц Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), было опубликовано сегодня в журналеПриродная химия. Это первый случай, когда какой-либо эксперимент в мире продемонстрировал механизм образования газофазной формы йода, известной как йодная кислота, и предполагает, что она играет каталитическую роль в образовании атмосферных частиц.

Это происходит в то время, когда содержание йода в атмосфере растет во всем мире, и нынешние уровни утроились по сравнению с тем, что было 70 лет назад. Исследователи надеются, что эти новые знания о взаимодействии йода с атмосферой могут быть добавлены к глобальным атмосферным и климатическим моделям, чтобы помочь ученым лучше понять его воздействие на окружающую среду, такое как увеличение облачного покрова, которое может усугубить истончение арктического морского льда, связанное с глобальным потеплением.

"Эта статья устанавливает связь между источниками йода, тем, как они выбрасываются в атмосферу, и образованием частиц, которые при последующем росте образуют облака", - сказал Райнер Волкамер, соавтор статьи, профессор химии в CU Boulder и сотрудник Кооперативного института исследований в области наук об окружающей среде. (СИРЕС). "Раньше такой связи не существовало, и теперь мы установили эту связь на молекулярном уровне".

Эта связь между источниками йода и образованием атмосферных частиц представляет собой многоступенчатый процесс. Сначала радикалы оксида йода связываются сами с собой, затем вступают в реакцию с озоном и водой с образованием йодистой кислоты с (синглетным) кислородом и гипоиодной кислотой в качестве побочных продуктов.

Йод является распространенным и высокореактивным элементом, который образует радикальные соединения, которые подвергаются быстрым химическим реакциям, длящимся от секунд до минут в атмосфере. Большая часть йода, содержащегося в атмосфере, поступает из океана, где он существует в виде йодида, также присутствующего в поваренной соли. Его трехкратное увеличение в атмосфере за последние 70 лет связано с увеличением антропогенного загрязнения воздуха: поскольку вредный приземный озон вступает в реакцию с йодидом, содержащимся в океане, он выделяет в атмосферу летучие газы йода.

Хотя йод изучался в течение 150 лет, только в последние два десятилетия такие исследователи, как Волкамер, выявили его важную роль в атмосфере. В 2020 году исследователи Volkamer и CU Boulder and CIRES опубликовали исследование, показывающее, как йод достигает стратосферы и разрушает озон, который защищает планету от вредного ультрафиолетового излучения.

"Йод - это новинка в этом районе, среди других галогенов, которые играют важную роль в восстановлении озонового слоя", - сказал Волкамер.

Распознавание химических процессов

Чтобы изучить это недостающее звено, исследовательская группа обратилась в ЦЕРН, где созданы идеальные условия, необходимые для наблюдения и сбора данных об этих частицах. Здесь эксперимент, известный как CLOUD (Космические частицы, оставляющие капли на открытом воздухе), стал ведущим в мире лабораторным экспериментом по изучению остающихся малоизученными аспектов образования аэрозолей и облаков.

Исследовательская группа Volkamer, лаборатория спектроскопии молекул атмосферных следов (ATMOSpec), является одним из трех университетов в США (наряду с Калифорнийским технологическим институтом и Университетом Карнеги-Меллона), которые являются частью этого сотрудничества, наряду с 16 европейскими партнерами.

"Это единственный подобный эксперимент, который существует в мире", - сказал Волкамер. "Для меня большая честь быть частью сотрудничества и руководить им в контексте такого исследования, как это".

В ОБЛАЧНОЙ камере ЦЕРНА исследователи имели доступ к лабораторной среде с идеальным контролем таких условий, как температура, давление, влажность, концентрация озона и йода, а также доступ к различным источникам света, напоминающим различные аспекты солнечного спектра.

Создав эту искусственную атмосферу в помещении, где могут происходить определенные реакции, а могут и не происходить, ученые смогли точно собрать данные о химических реакциях йода, которые формируют и выращивают частицы.

"Это отличный пример того, как эксперименты и вычисления объединяются, чтобы ответить на вопрос, на который ни один из них не смог бы ответить самостоятельно", - сказал Тео Куртен, соавтор исследования и профессор химии Хельсинкского университета.

Чтобы определить, соответствует ли то, что они наблюдали в лаборатории, реальному миру, они также протестировали свои выводы в воздухе, окружающем обсерваторию Майдо на острове Реюньон в южной части Индийского океана - удаленном месте, свободном от значительного влияния человеческой деятельности, - и смогли подтвердить свои лабораторные результаты.

Каталитическая роль в изменении климата

В отличие от других элементов, таких как сера (или серная кислота), йод не нуждается в помощи других молекул (известных как "основания") для образования атмосферных частиц. Исследователи обнаружили, что он также довольно эффективен в этом процессе по сравнению с другими элементами.

Следовательно, образование частиц из йодистой кислоты не ограничивается прибрежными горячими точками йода или местами, где доступны эти химические основания, а скорее может происходить по всей атмосфере.

"Это глобальное явление, и глобальное значение йода в образовании частиц может быть больше, чем считается в настоящее время", - сказал Хеннинг Финкенцеллер, первый автор исследования, являющегося частью его диссертации в CU Boulder.

По словам Финкенцеллера, йод также принципиально отличается от других паров, образующих частицы, из-за его способности запускать образование атмосферных частиц и того факта, что один атом йода может запускать этот процесс несколько раз. Эта каталитическая роль в образовании частиц усиливает их воздействие в атмосфере, куда бы они ни попадали, будь то устранение защитных молекул озона или увеличение облачного покрова.

Поскольку деятельность человека увеличивает доступность йода в атмосфере, из-за нашего негативного воздействия на качество воздуха во всем мире воздействие этого недолговечного элемента может быть длительным. По мере таяния морского льда в Арктике большее количество йода может попасть в атмосферу, увеличить облачность и усилить воздействие потепления на регион. А в тропиках штормы могут выбросить этот йод высоко в атмосферу, где он воздействует на наш защитный озоновый слой.

"Нам все еще нужно лучше понять химию переработки йода. Но теперь, когда мы понимаем механизм источника, мы на один шаг ближе к пониманию того, как избыток йода влияет на образование частиц, облаков и восстановление озона в атмосфере нашей планеты", - сказал Волкамер.