Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Jingkun Jiang von der Tsinghua-Universität und Dr. Markku Kulmala von der Universität Helsinki hat über einen effizienten Mechanismus berichtet, mit dem gasförmige Schwefelsäure und Basen atmosphärische ultrafeine Partikel bilden. Die Ergebnisse erklären die schnelle Bildung sekundärer ultrafeiner Partikel, die die Luftqualität und das Klima weiter beeinflussen könnten.
Das Team fand heraus, dass Säure-Base-Reaktionen die Hauptantriebskräfte für gasförmige Vorläufer sind, um die Oberflächenspannung zu überwinden und ultrafeine Partikel zu bilden, und der Schlüsselmechanismus ist die Bildung von versteckten Säure-Base-Heterodimeren. Dieser verborgene Mechanismus erklärt die hohe Partikelbildungsrate in chinesischen Megacities.
Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht National Science Review.
„In chinesischen Megastädten befinden sich Hunderttausende ultrafeiner Partikel pro Kubikzentimeter Luft, und ein neues Partikelbildungsereignis an einem sonnigen Mittag kann ihre Konzentration innerhalb weniger Stunden leicht um eine Größenordnung erhöhen“, sagt Jiang.
Um zu erklären, wie neue Partikel so effizient aus gasförmigen Vorläufern umgewandelt werden können, sind Jiang und Kulmala zusammen mit Dr. Runlong Cai entschlossen, den Schlüsselmechanismus für die schnelle Bildung neuer Partikel zu suchen. Sie wissen, dass Schwefelsäure eine primäre Vorstufe ist, während die Herausforderung darin besteht, die Schlüsselbasen unter vielen Kandidaten zu finden. „Stadtluft ist ein komplexer Chemikaliencocktail mit kaum verstandenen Wechselwirkungen und Rückkopplungen“, kommentierte Kulmala.
Die Forscher beobachteten während der Neubildung von Partikeln in Peking und Shanghai reichlich Molekülcluster, die Schwefelsäure enthielten. Einige der gemessenen Cluster enthalten Schwefelsäure- und Aminmoleküle. Diese liefern einen starken Beweis für die Beteiligung von Aminen an der Bildung stabiler Schwefelsäurecluster, was die Umwandlungsrate von gasförmiger Schwefelsäure zu neuen Partikeln erhöht.
„Es ist faszinierend, dass wir in einem Cluster weniger Basen als Säuren gemessen haben. Hinter den gemessenen Signalen müssen einige Schlüsselinformationen verborgen sein“, sagt Cai. Es wurde zuvor vorgeschlagen, dass die Clusterbildung zwischen einem Basismolekül und einem Schwefelsäure-Homodimer der Schlüsselmechanismus für die Bildung neuer Partikel ist, da in den gemessenen Clustern, die ein Schwefelsäuremolekül enthielten, keine Basismoleküle vorhanden waren. Das Forschungsteam stellte jedoch fest, dass dies ein Messartefakt war.
Durch die Kombination von Langzeitmessungen und einer auf Quantenchemie und Clusterkinetik basierenden Theorie fanden sie heraus, dass die Bildung von versteckten Säure-Base-Heterodimeren der Schlüsselmechanismus ist. Dieser Mechanismus ist weitaus effizienter als der zuvor vorgeschlagene Mechanismus mit Säure-Säure-Homodimeren und gewährleistet die schnelle Bildung von Schwefelsäureclustern und neuen Partikeln.
Die versteckten Heterodimere lösen das Rätsel, warum in Megastädten häufig neue Partikel gegen eine hohe Hintergrundpartikelbelastung gebildet werden konnten. Die versteckten Säure-Base-Heterodimere mit einem erheblichen Anteil an den gemessenen Schwefelsäuresignalen können effektiv miteinander clustern. Dies gewährleistet selbst bei einer niedrigen Aminkonzentration in der Umgebung eine hohe Partikelbildungsrate, die sich dem theoretischen Maximum nähert. Die versteckten Heterodimere erklären auch die Temperaturabhängigkeit der Partikelneubildung in Peking und Shanghai. „Atmosphärische Messungen werden oft durch viele Faktoren gestört. Ich habe nicht mit einer so erstaunlichen Übereinstimmung zwischen den Messungen und der neuen Theorie gerechnet“, sagt Cai.
Das Team suchte auch mithilfe thermodynamischer und kinetischer Analysen nach den verborgenen Basismolekülen. Unter den gemessenen gasförmigen Molekülen dienen starke Amine wie Dimethylamin als Schlüsselbasen in Säure-Base-Heterodimeren, während das sehr häufig vorkommende Ammoniak und andere schwache Basen eher am anschließenden Cluster-Wachstumsprozess beteiligt sind.
Runlong Cai et al, Die fehlenden Basenmoleküle bei der atmosphärischen Säure-Base-Keimbildung, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac137