Ampio contributo di fossili

Apr 29, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5115 (2022) Citare questo articolo

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Una comprensione incompleta delle fonti dell’aerosol organico secondario (SOA) porta a una grande incertezza sia nella gestione della qualità dell’aria che nella valutazione del cambiamento climatico. Le reazioni chimiche che si verificano nella fase acquosa atmosferica rappresentano un'importante fonte di massa di SOA, tuttavia gli effetti delle emissioni di origine antropica sulla SOA acquosa (aqSOA) non sono ben limitati. Qui utilizziamo impronte isotopiche a doppio carbonio specifiche del composto (δ13C e Δ14C) di molecole di aqSOA dominanti, come l'acido ossalico, per tracciare le fonti dei precursori e i meccanismi di formazione di aqSOA. Il frazionamento sostanzialmente stabile degli isotopi di carbonio delle molecole di aqSOA fornisce prove solide di un'ampia elaborazione in fase acquosa. Contrariamente al paradigma secondo cui questi composti aqSOA sono in gran parte biogenici, la ripartizione delle fonti basata sul radiocarbonio mostra che i precursori fossili hanno prodotto oltre la metà delle molecole di aqSOA. Grandi frazioni di aqSOA di origine fossile contribuiscono in modo sostanziale al carico totale di aerosol organici idrosolubili e quindi influiscono sulle proiezioni sia della qualità dell’aria che del forzante radiativo antropogenico. I nostri risultati rivelano l’importanza delle emissioni fossili per aqSOA con effetti sul clima e sulla qualità dell’aria.

L’aerosol organico (OA) è il componente dominante della massa del particolato fine atmosferico1. La maggior parte dell'OA è secondaria (SOA), formata nell'atmosfera dall'ossidazione dei gas precursori2. La maggior parte delle SOA sono composte da composti ossigenati e igroscopici, pertanto hanno impatti dannosi sulla salute respiratoria ed effetti ampi e incerti sulla forzante radiativa atmosferica3. Tuttavia, gli attuali modelli globali in genere sottostimano l’entità, la distribuzione e le dinamiche della SOA, suggerendo una comprensione limitata delle loro fonti e dei processi di formazione4. Un numero crescente di studi sperimentali e modellistici indicano le reazioni chimiche acquose che si verificano nelle goccioline delle nuvole e negli aerosol umidi come un importante percorso mancante per la formazione della SOA2,3,4,5,6,7,8. La formazione di SOA acquosa (aqSOA) spesso comporta effetti misti di emissioni antropogeniche e biogeniche2, 3. La misura in cui aqSOA è controllabile o "naturale" è un argomento importante di ricerca in corso sia per la qualità dell'aria che per le questioni climatiche2, 3. Tuttavia, la scarsa La comprensione dei processi chimici acquosi e della complessità delle interazioni antropiche-biogene rende difficile giungere ad una conclusione definitiva2.

Nelle simulazioni del modello, si ritiene che aqSOA derivi in ​​gran parte dai precursori biogenici naturali, come i prodotti di ossidazione dell'isoprene3, 4, 8. Si nota che i precursori fossili sono meno polari e meno idrofili dei precursori biogenici, diminuendo così la possibilità di partizionamento in la fase acquosa e la successiva formazione di aqSOA9. Tuttavia, alcuni studi recenti condotti nell’Asia orientale suggeriscono che i precursori fossili potrebbero contribuire in modo sostanziale alla formazione di aqSOA. Ad esempio, nella foschia invernale di Pechino è stata osservata una rapida ossidazione in fase acquosa degli idrocarburi policiclici aromatici emessi dalla combustione di combustibili fossili e potrebbe spiegare la SOA10 osservata. Le stime basate sul radiocarbonio attribuiscono circa il 50% dell’AO solubile in acqua a fonti fossili nel deflusso dell’Asia orientale11, 12, rispetto a <30% in Europa, Stati Uniti e Asia meridionale13,14,15,16,17,18. Tuttavia, sulla formazione di aqSOA, una stima quantitativa del contributo fossile rimane impegnativa, in gran parte a causa della mancanza di strumenti tecnici specifici e affidabili nel tracciare le fonti e il meccanismo di formazione di aqSOA negli aerosol ambientali.

Qui sfruttiamo il recente avvento dell'impronta digitale isotopica a doppio carbonio specifica del composto (δ13C−Δ14C) delle molecole di aqSOA19 per quantificare e caratterizzare le fonti di aqSOA e i processi chimici atmosferici. Il contenuto di Δ14C a livello molecolare dei traccianti aqSOA fornirà un vincolo diretto sulle loro origini19, mentre le impronte digitali δ13C dei traccianti molecolari possono differenziare vari processi/reazioni atmosferiche20. La tecnica è stata applicata all'acido ossalico purificato e ad altri acidi organici altrettanto abbondanti (ad esempio, acido gliossilico). L'acido ossalico, che probabilmente rappresenta lo stato di ossidazione più elevato dell'OA, è stato spesso utilizzato come proxy per la lavorazione acquosa sia in studi di laboratorio che sul campo21,22,23. Gli acidi organici che hanno rapporti O/C elevati (intorno a 1−2), sono tra i componenti SOA più abbondanti e sono prodotti finali chiave nell'ossidazione fotochimica in fase acquosa di vari composti organici volatili (COV) e intermedi come il gliossale (Gly ) e metilgliossale (MeGly) in nuvole o aerosol umidi4, 5, 24, 25. Pertanto, questi acidi organici possono fungere da composti caratteristici per tracciare i percorsi di formazione di aqSOA21,22,23, 26.