Il ruolo critico della dimetilammina nella rapida formazione di particelle di acido iodico nelle aree marine

npj Climate and Atmospheric Science volume 5, numero articolo: 92 (2022) Citare questo articolo

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La formazione di nuove particelle marine (NPF) può influenzare i nuclei di condensazione delle nuvole (CCN) nell’atmosfera globale. Recentemente, l’acido iodico (IA) è stato identificato come un fattore critico per l’NPF marino. Tuttavia, le osservazioni atmosferiche di IA non possono essere associate ai tassi di formazione delle particelle previsti. Data la complessità dei componenti atmosferici, altre specie possono favorire la formazione di particelle IA. Essendo un efficiente stabilizzante per i precursori acidi, la dimetilammina (DMA) ha un'ampia distribuzione negli oceani. Pertanto, abbiamo studiato il processo di nucleazione di DMA e IA in diverse condizioni atmosferiche e scoperto il corrispondente meccanismo di nucleazione utilizzando un approccio chimico quantistico e l'Atmospheric Cluster Dynamics Code (ACDC). I risultati mostrano che il DMA può stabilizzare strutturalmente l’IA tramite legami idrogeno e alogeno e che il processo di clustering è privo di barriere energetiche. Inoltre, DMA può aumentare il tasso di formazione dei cluster IA di cinque ordini di grandezza e la sua efficienza nel promuovere la formazione di cluster IA è molto superiore a quella di NH3. Rispetto alla nucleazione tramite addizione sequenziale di IA, la nucleazione IA-DMA gioca un ruolo più dominante nella cinetica di nucleazione. Pertanto, l’effetto del DMA sul miglioramento della stabilità dei cluster IA e del tasso di formazione non può essere ignorato, specialmente nelle regioni vicine alla fonte delle emissioni di IA e DMA. In generale, il meccanismo di nucleazione IA-DMA proposto può aiutare a spiegare alcune fonti mancanti di particelle e, quindi, intensi eventi NPF marini.

L’aerosol marino agisce come il sistema di aerosol naturale più importante al mondo, influenzando in modo significativo l’equilibrio delle radiazioni globali e il sistema climatico attraverso un’ulteriore conversione in nuclei di condensazione delle nuvole (CCN)1,2. La formazione di nuove particelle (NPF) avviata tramite la nucleazione di molecole gassose fornisce un'importante fonte di aerosol atmosferico3,4. Pertanto, per comprendere meglio la formazione dell’aerosol marino, la sfida critica prevede la speciazione chimica dei precursori della nucleazione e il districamento del corrispondente meccanismo di nucleazione a livello molecolare5,6.

A livello globale, le NPF marine sono significativamente influenzate dalle emissioni biogene, sebbene siano coinvolti anche gli impatti antropici, in misura minore, soprattutto nell’oceano remoto7. Le osservazioni sul campo hanno dimostrato che l'NPF marino è strettamente correlato alle molecole contenenti iodio8, che hanno origine dai vapori di iodio emessi dalle alghe marine9,10. Tra questi componenti dello iodio, l'acido iodico (HIO3, IA) è stato identificato come il principale motore del NPF nelle regioni costiere, oceaniche aperte e polari coperte di ghiaccio11,12,13. Tuttavia, le osservazioni atmosferiche di IA non possono essere associate ai tassi di formazione delle particelle previsti14. Data la complessità dei componenti atmosferici, anche altri precursori diffusi negli oceani, soprattutto provenienti da emissioni biologiche, potrebbero essere coinvolti nel processo di formazione delle particelle IA. Le ammine (ad esempio, monometilammina MA, dimetilammina DMA e trimetilammina TMA), in quanto basi azotate ampiamente distribuite nell'atmosfera15, possiedono una basicità relativamente forte e di conseguenza un effetto stabilizzante sui precursori della nucleazione acida come il noto acido solforico (SA)15,16 e acido metansolfonico (MSA)17,18. Essendo lo stabilizzatore più forte di queste molecole di ammina (DMA ≥ TMA > MA)16, il DMA più ampiamente studiato è stato identificato come un importante precursore nucleante nella città costiera di Shanghai, in Cina19, sulla costa della California20 e in oceano aperto21,22. Inoltre, il DMA diffuso ha una notevole concentrazione atmosferica (0,4–10 pptv) sull’oceano, il che lo rende importante per l’NPF marino23. Considerando la capacità del DMA di stabilizzare in modo efficiente i precursori acidi e la sua ampia distribuzione nell'atmosfera marina24,25,26,27, esiste il potenziale per il DMA di stabilizzare le molecole di IA tramite reazioni acido-base. Tuttavia, a livello molecolare non è noto se il DMA sia in grado di raggrupparsi rapidamente con l'IA e il corrispondente processo di nucleazione.

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>