相乗効果のある HNO3 - 雲南ATMヒーター株式会社

Nature volume 605、pages 483–489 (2022)この記事を引用

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215 オルトメトリック

メトリクスの詳細

上部自由対流圏における新しい粒子の形成は、雲凝縮核 (CCN) の世界的な主要な発生源です1、2、3、4。ただし、プロセスを推進する前駆体蒸気については十分に理解されていません。 CERN CLOUDチャンバー内の対流圏上部条件下で行われた実験により、硝酸、硫酸、アンモニアが相乗的に粒子を形成し、その速度は3つの成分のうちの2つからの粒子よりも桁違いに速いことがわかりました。このメカニズムの重要性は、アンモニアの利用可能性に依存します。アンモニアは、対流中に雲の液滴によって効率的に除去されると以前は考えられていました。しかし、最近、アジアモンスーン地域の対流圏上部で驚くほど高濃度のアンモニアと硝酸アンモニウムが観察されています5,6。粒子が形成されると、アンモニアと豊富な硝酸の共縮合だけで、微量の硫酸塩のみを使用して CCN サイズまで急速に成長させるのに十分です。さらに、私たちの測定は、これらの CCN が砂漠の塵に匹敵する非常に効率的な氷核形成粒子でもあることを示しています。私たちのモデルシミュレーションでは、アジアモンスーン期間中にアンモニアが上空で効率的に対流し、対流圏上部で急速な多酸HNO3-H2SO4-NH3核生成を促進し、中緯度の北半球全体に広がる氷核粒子を生成することが確認された。

激しい粒子の形成は、熱帯対流域上の対流圏上部で持続的な地球規模のバンドとして空中測定によって観察されています1、2、4。対流圏上部の核生成は、全球の CCN3 の少なくとも 3 分の 1 を提供すると考えられています。産業革命以来のエアロゾルの増加と、エアロゾルと雲との相互作用により、温室効果ガスによる地球規模の放射力の大部分が隠蔽されてきました。将来の大気汚染の削減によって生じるエアロゾル放射力の予測は非常に不確実です7。現在の核形成には、対流圏のほぼ全域で硫酸 (H2SO4) が関与しています8。ただし、H2SO4-H2O の二元核生成は遅いため、観察された新粒子形成速度を考慮するには、アンモニア (NH3)9 や有機物などの余分な蒸気を含む三成分または多成分核生成が必要です 10,11。

アンモニアは酸塩基核生成を安定化し、粒子形成速度を大幅に高めます9。しかし、アンモニアは水への溶解度や酸との反応性により、対流雲で効率的に除去されるはずであるため、対流圏上部では極めて希少であると考えられている。ただし、この仮定は観察によって裏付けられていません。アンモニア蒸気はアジアのモンスーン対流圏上部で繰り返し検出されており、混合比は 3 か月平均で最大 30 pptv (2.5 × 108 cm-3) であり 5、ホットスポットでは最大 1.4 ppbv (1.2 × 1010 cm-3) です6。。雲の液滴からの溶解アンモニアの放出は、氷河期に起こる可能性があります13。アンモニアは対流圏上部に放出されると、雷によって大量に生成される硝酸とともに粒子を形成する可能性があります14,15。これらの粒子はアンモニア蒸気よりも長く生存し、より遠くまで移動するため、北半球の上部対流圏と下部成層圏全体に影響を与える可能性があります6。

対流圏上部の粒子形成における硝酸とアンモニアの役割とメカニズムについては、基本的な疑問が残っています。 CERN での最近の CLOUD (屋外液滴を残す宇宙) 実験では、278 K 未満の硝酸とアンモニアの蒸気が直径数ナノメートルほどの新しく形成された粒子上に凝縮し、CCN サイズが急速に成長する可能性があることが示されました 16。さらに低い温度 (258 K 未満) では、硝酸とアンモニアが直接核生成して硝酸アンモニウム粒子を形成する可能性がありますが、純粋な HNO3 – NH3 核生成は、同等の条件下で H2SO4 – NH3 核生成と競合するには遅すぎます。ただし、ここで示した結果は、3 つの蒸気がすべて存在すると、相乗的な相互作用により、3 つの成分のうちの 2 つからの核生成速度よりも数桁速く核生成速度が促進されることを示しています。この複数の酸とアンモニアのメカニズムによって核が生成されると、粒子は NH3 と HNO3 のみの共縮合によって急速に成長することができ、どちらも対流圏上部では H2SO4 よりもはるかに豊富である可能性があります。

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. A microphysical model reproduces the main features of the observed particle formation (dashed lines; see text for details). b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. Sulfuric acid through SO2 oxidation started to appear soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 2.3 × 106 cm−3 after a wall-loss-rate timescale of around 10 min. The subsequent H2SO4–NH3 nucleation led to a relatively slow formation rate of 1.7-nm particles. The particles did not grow above 2.5 nm because of their slow growth rate and corresponding low survival probability against wall loss. Following injection of 2.0 × 109 cm−3 nitric acid into the chamber after 115 min, while leaving the production rate of sulfuric acid and the injection rate of ammonia unchanged, we observed a sharp increase in particle formation rate (panel b), together with rapid particle growth of 40 nm h−1 (panel c). The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. We started the experiment by oxidizing NO2 to produce 1.6 × 109 cm−3 HNO3 in the presence of about 6.5 × 108 cm−3 ammonia. At time = 0 min, we turned off the high-voltage clearing field to allow the ion concentration to build up to a steady state between GCR production and wall deposition. The presence of ions (GCR condition) induces slow HNO3–NH3 nucleation, followed by relatively fast particle growth by nitric acid and ammonia condensation. We thus observe formation of both 1.7-nm and 2.5-nm particles by about one order of magnitude in about 3.5 h, with a slower approach to steady state because of the longer wall deposition time constant for the larger particles. Then, we increased H2SO4 in the chamber from 0 to 4.9 × 106 cm−3 by oxidizing progressively more injected SO2 after 211 min, with a fixed production rate of nitric acid and injection rate of ammonia. Subsequently, particle concentrations increase by three orders of magnitude within 30 min. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively; gas-phase ammonia versus time, calculated with a first-order wall-loss rate. Before the experiment, we cleaned the chamber by rinsing the walls with ultra-pure water, followed by heating to 373 K and flushing at a high rate with humidified synthetic air for 48 h. We started with an almost perfectly clean chamber and only HNO3, SO2 and O3 vapours present at constant levels. Sulfuric acid starts to appear by means of SO2 oxidation soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 5.0 × 106 cm−3 with the wall-loss timescale of about 10 min. Subsequently, we observe slow formation of 1.7-nm particles, yet they do not reach 2.5 nm during the course of a 2-h period with small growth rates and low survival probability. Then, owing to the injection of ammonia from 0 to around 6.5 × 108 cm−3 into the chamber after 80 min, a sharp increase in the rate of particle formation is observed with a fixed production rate of sulfuric acid and injection rate of nitric acid. The sulfuric acid concentration decreases slightly afterwards, owing to accumulated condensation sink from fast particle growth. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>