Discovery deckt Bedarf an Ammoniakemissionsvorschriften auf

Eine Entdeckung des ehemaligen Carnegie Mellon Ph.D. Der Student Mingyi Wang, der ein großes Team leitet, beleuchtet einen Weg, wie sich neue Partikel in der oberen Troposphäre bilden. Die Studie, erschienen in Natur, offenbart eine unerwartete flüchtige Reaktion zwischen Salpetersäure, Schwefelsäure und Ammoniak, die synergistisch schnell neue Partikel erzeugt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es neben Kohlendioxid noch andere Verbindungen gibt, die der Aufmerksamkeit und Regulierung bedürfen.

Das Vorhandensein von Ammoniak war zuerst entdeckt in der oberen Troposphäre im Jahr 2016 unter Verwendung der Analyse von gemittelten MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) Infrarot-Gliedmaßen-Emissionsspektren. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (Deutschland), der University of Colorado Boulder und der Universidad Nacional Autónoma de México führten einen „CT-Scan“ der Atmosphäre durch, bewegten sich entlang von Breiten- und Längengraden und maßen Partikelkonzentrationen und -zusammensetzungen in der oberen Troposphäre.

Ammoniak stammt hauptsächlich aus der Landwirtschaft und Fahrzeugen in dicht besiedelten Städten. Als Wissenschaftler die Verbindung in der oberen Troposphäre entdeckten, waren sie überrascht, wie weit sie in die Atmosphäre gewandert war, was Fragen darüber aufwarf, wie sie dorthin transportiert wird und welche Auswirkungen sie auf die Partikelmasse und -bildung hat.

Nachdem Wang, ein Ph.D. Student am Department of Chemistry von Carnegie Mellon, interessierte sich für die Reaktion zwischen Ammoniak, Salpetersäure und Schwefelsäure in der Atmosphäre. In einem Studie 2020ebenfalls in Nature veröffentlicht, entdeckte Wang, dass unter kalten Bedingungen, wie dem des Winterklimas in Peking, die Mischung dieser drei Wirkstoffe dazu beiträgt und auf Partikeln im Nanometerbereich kondensiert, wodurch ihre Masse schnell zunimmt.

Mit diesem Ergebnis wurde Wang neugierig, wie diese Reaktion in noch kälteren, extremeren Regionen aussehen würde, also begann er, ein Experiment zu entwerfen, um es unter Bedingungen ähnlich der oberen Troposphäre zu testen.

„Es gibt nur eine sehr begrenzte Anzahl von Instrumenten, um die Prozesse zu identifizieren, die Partikel in der oberen Troposphäre erzeugen“, sagte Wang. „Wir müssen uns auf Laborexperimente verlassen, um zu verstehen, was unter diesen Bedingungen passieren kann.“

Um dies zu analysieren, reiste Wang als Mitglied des in die Schweiz CLOUD-Zusammenarbeit um sein Experiment an der zu testen Europäischer Rat für Kernforschung (CERN). Unter Verwendung ihrer Kammeranlage schuf Wang genau kontrollierte atmosphärische Bedingungen und beobachtete Reaktionen in Echtzeit. Als es an der Zeit war, der Kammer Ammoniak hinzuzufügen, erwartete Wang, dass die Mischung aus Säuren und Basen auf vorhandenen Partikeln kondensieren und ihre Masse erhöhen würde, wie er zuvor entdeckt hatte. Zu seiner Überraschung sah er jedoch, wie sich schnell eine Explosion neuer Partikel bildete.

„Was wir herausgefunden haben, ist, dass Salpetersäure und Ammoniak anfällig für Temperaturänderungen sind. Wenn die Temperatur kälter wird, können sie tatsächlich den Gas-Partikel-Umwandlungsprozess durchlaufen, neue Partikel erzeugen und die Gesamtkonzentration der Partikelanzahl erhöhen“, sagte Wang.

„Das ist wichtig, besonders in der relativ sauberen oberen Troposphäre. Die Emissionsquellen sind dort oben begrenzt. Es gibt keine Fabriken oder Farmen, und es wird angenommen, dass Flugzeuge die meisten Schadstoffe in diesem Gebiet ausmachen. Alle Schadstoffe in der oberen Troposphäre werden es tun spielen eine ganz andere Rolle als in der Grenzschicht (dem untersten Teil der Troposphäre, der direkt von der Anwesenheit der Erdoberfläche beeinflusst wird). Die Temperatur und das Zusammenspiel zwischen den Arten sind ebenfalls sehr unterschiedlich.“

In Zusammenarbeit mit einer Reihe weltbekannter Klimawissenschaftler, darunter Carnegie Mellon Engineering Assistant Research Professor Hamish Gordon, führten Wang und seine Forscherkollegen globale Modellierungssimulationen durch, um zu demonstrieren, wie Ammoniak in die obere Troposphäre transportiert und später verteilt wird.

Darüber hinaus CMU Chemical Engineering Ph.D. Der Student und Co-Autor Brandon Lopez fand heraus, dass selbst eine winzige Menge Schwefelsäure Partikel in beeindruckende Eiskerne verwandeln kann.

Die Gruppe entdeckte, dass das Ammoniak während Ereignissen wie dem asiatischen Monsun nach oben konvektiert wird. Da Ammoniak sehr löslich ist, beginnt es sich beim Durchgang durch Wolken in Wolkentröpfchen aufzulösen. Diese Tröpfchen gefrieren dann und werden zu Eiskristallen, die Teile des Ammoniaks wieder in die Atmosphäre freisetzen und Partikel produzieren, die sich über die nördliche Hemisphäre in den mittleren Breiten ausbreiten können.

„Dieser Befund führt uns zu der Frage, ob andere Arten, wie etwa organische Verbindungen, durch diesen Prozess auch in die obere Troposphäre transportiert werden können“, sagte Wang.

Neil Donahue, Berater, Co-Autor und Weltklasse-Klimawissenschaftler von Wang, erklärte, wie wichtig es sei, die mögliche Reihe von Verbindungen, die konvektiv konvektiert werden könnten, und ihre potenziellen Auswirkungen zu verstehen.

„All die wissenschaftliche Unsicherheit rund um den Klimawandel hängt auf die eine oder andere Weise mit Wolken zusammen“, sagte Donahue, ein Thomas-Lord-Professor in den Abteilungen für Chemie, Chemieingenieurwesen und Ingenieurwissenschaften und öffentliche Politik an der Carnegie Mellon. „Um Wolken zu machen, braucht man Wasser, um Keime zu bilden oder zu gefrieren.“

„In verschmutzten Teilen der Atmosphäre, die näher am Boden liegen, wie etwa über großen Städten, sind die Wirkstoffe und Partikel, die als Wolkenkerne (Seeds) wirken, reichlich vorhanden, aber in den weiten Bereichen der oberen Atmosphäre sind sie ziemlich selten. Die Natur Wolken können sich abhängig von der Art und Menge der vorhandenen Partikel stark verändern, so dass die Entstehung dieser Partikel und die Veränderung der Wolkenzusammensetzung in der oberen Atmosphäre das Klima erheblich beeinflussen könnten.“

Die Reduzierung von Kohlendioxid (CO2)-Emissionen ist nach wie vor ein Hauptanliegen von Klimawissenschaftlern und Gesetzgebern. Während Wang sagt, dass die Reduzierung von CO2 durch die Verringerung der Verbrennung fossiler Brennstoffe dazu beitragen wird, mehrere andere Schadstoffe zu senken, glaubt er, dass es unerlässlich ist, mit der Entwicklung von Vorschriften zu beginnen, die sich speziell auf Ammoniakemissionen konzentrieren.

„Wir wissen, dass wir die Schwefel- und Stickoxidemissionen von Kohlekraftwerken und Fahrzeugen reduzieren müssen, aber jetzt ist es offensichtlich, dass wir auch über die Reduzierung der Ammoniakemissionen von Fahrzeugen und der Landwirtschaft nachdenken sollten. Es erweist sich, dass es eine entscheidende Rolle sowohl in der Grenzschicht spielt, Auswirkungen auf die Luftqualität, sondern auch auf die Zusammensetzung der oberen Troposphäre.“

Wang, jetzt Postdoc am California Institute of Technology, sagt, der nächste Schritt bestehe darin, zusätzliche Studien zu entwerfen, um aufzudecken, ob andere Verbindungen auf ähnliche Weise in die obere Troposphäre gelangen.