Критическая роль диметиламина в быстром образовании частиц иодистой кислоты в морских акваториях

npj Наука о климате и атмосфере, том 5, Номер статьи: 92 (2022) Цитировать эту статью

2190 Доступов

5 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Образование новых морских частиц (NPF) может повлиять на ядра конденсации облаков (CCN) в глобальной атмосфере. Недавно йодистая кислота (IA) была определена как критический фактор морских NPF. Однако атмосферные наблюдения ИА не могут быть связаны с предсказанными скоростями образования частиц. Учитывая сложность атмосферных компонентов, другие виды могут способствовать образованию частиц IA. Диметиламин (ДМА) как эффективный стабилизатор кислотных предшественников широко распространен в океанах. Таким образом, мы исследовали процесс зародышеобразования DMA и IA в различных атмосферных условиях и обнаружили соответствующий механизм зародышеобразования, используя квантово-химический подход и код динамики атмосферных кластеров (ACDC). Результаты показывают, что ДМА может структурно стабилизировать IA посредством водородных и галогенных связей, а процесс кластеризации является безэнергетическим. Более того, DMA может увеличить скорость образования кластеров IA на пять порядков, а его эффективность в содействии образованию кластеров IA намного выше, чем у NH3. По сравнению с нуклеацией посредством последовательного добавления IA, нуклеация IA-DMA играет более доминирующую роль в кинетике нуклеации. Таким образом, нельзя игнорировать влияние DMA на повышение стабильности и скорости формирования кластеров IA, особенно в регионах вблизи источника выбросов IA и DMA. В целом, предлагаемый механизм нуклеации IA-DMA может помочь объяснить некоторые недостающие источники частиц и, следовательно, интенсивные морские явления NPF.

Морской аэрозоль действует как самая важная естественная аэрозольная система в мире, существенно влияя на глобальный радиационный баланс и климатическую систему за счет дальнейшего преобразования в ядра конденсации облаков (CCN)1,2. Образование новых частиц (NPF), инициированное зарождением газообразных молекул, является важным источником атмосферных аэрозолей3,4. Следовательно, чтобы лучше понять образование морских аэрозолей, важнейшей задачей является химическое образование предшественников нуклеации и распутывание соответствующего механизма нуклеации на молекулярном уровне5,6.

В глобальном масштабе морские НПФ подвергаются значительному влиянию биогенных выбросов, хотя антропогенное воздействие также имеет место, хотя и в меньшей степени, особенно в отдаленных районах океана7. Полевые наблюдения показали, что морской НПФ тесно связан с йодсодержащими молекулами8, которые образуются из паров йода, выделяемых морскими водорослями9,10. Среди этих компонентов йода йодистая кислота (HIO3, IA) была определена как ключевой фактор NPF в прибрежных, открытых океанских и покрытых льдом полярных регионах11,12,13. Однако атмосферные наблюдения ИА не могут быть связаны с предсказанными скоростями образования частиц14. Учитывая сложность атмосферных компонентов, в процессе формирования частиц ИА могут участвовать и другие широко распространенные в океанах предшественники, особенно биологические выбросы. Амины (например, монометиламин МА, диметиламин ДМА и триметиламин ТМА), как азотистые основания, широко распространенные в атмосфере15, обладают относительно сильной основностью и, следовательно, стабилизирующим действием на кислотные предшественники нуклеации, такие как хорошо известная серная кислота (СК)15,16 и метансульфоновая кислота (МСК)17,18. Будучи более сильным стабилизатором этих молекул амина (ДМА ≥ ТМА > МА)16, наиболее широко изученный ДМА был идентифицирован как основной предшественник зародышеобразования в прибрежном городе Шанхай, Китай19, в прибрежной Калифорнии20 и в открытом океане21,22. Более того, широко распространенный DMA имеет значительную концентрацию в атмосфере (0,4–10 частей на тв) над океаном, что делает его важным для морского NPF23. Учитывая способность ДМА эффективно стабилизировать кислотные предшественники и его широкое распространение в морской атмосфере24,25,26,27, существует потенциал ДМА для стабилизации молекул IA посредством кислотно-основных реакций. Однако на молекулярном уровне неизвестно, способен ли DMA к быстрой кластеризации с IA и соответствующему процессу нуклеации.

O-H…O (13%) > O-H…N (5%) > N-H…N (3%). The high percentage of N-H…O is due to the N-H covalent bonds formed by proton transfer (O-H…N → O…H-N) within most IA-DMA clusters./p> 0 and H(r) < 0. And for XBs within clusters, O-I…O contributes more (84%) than O-I…N XBs (16%), acting mainly between IA molecules. Overall, IA-DMA clusters are jointly stabilized by multiple types of intermolecular HBs and XBs. Also, during the clustering process, the acid-base reactions between IA and DMA occur in most clusters, resulting in acid-base ion pairs./p>1)54. Once the boundary clusters (the smallest ones out of the system) are formed, they tend to keep growing without evaporating into smaller sizes28. Here, the boundary clusters in the IA-DMA system are set to be (IA)7, (IA)5.(DMA)2 and (IA)6.(DMA)1 clusters (see Supplementary Methods). For the IA-NH3 system, the boundary clusters are set to be (IA)7 and (IA)6.(NH3)1 clusters with reference to previous study35. Moreover, the effect of different condensation sink coefficients (1.0 × 10−2–1.0 × 10−4 s−1), covering coastal to polar regions8,14,32, on the results was examined in Supplementary Figs. 4, 5./p>