시너지 HNO3 - 운남 ATM 히터 유한 공사

Nature 605권, 483~489페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

자유 대류권 상부의 새로운 입자 형성은 전 세계적으로 구름 응축 핵(CCN)의 주요 원인입니다1,2,3,4. 그러나 공정을 추진하는 전구체 증기는 잘 알려져 있지 않습니다. CERN CLOUD 챔버의 상부 대류권 조건에서 수행된 실험을 통해 우리는 질산, 황산 및 암모니아가 세 가지 구성 요소 중 두 가지 구성 요소보다 훨씬 빠른 속도로 시너지 효과를 발휘하여 입자를 형성한다는 것을 보여줍니다. 이 메커니즘의 중요성은 대류 중에 구름 방울에 의해 효율적으로 제거되는 것으로 이전에 생각되었던 암모니아의 가용성에 달려 있습니다. 그러나 최근 아시아 몬순 지역의 대류권 상층에서 놀랍게도 높은 농도의 암모니아와 질산암모늄이 관찰되었습니다5,6. 일단 입자가 형성되면 암모니아와 풍부한 질산의 동시 축합만으로도 미량의 황산염만으로 CCN 크기로 빠르게 성장할 수 있습니다. 더욱이, 우리의 측정에 따르면 이러한 CCN은 사막 먼지와 비교할 수 있는 매우 효율적인 얼음 핵 생성 입자이기도 합니다. 우리의 모델 시뮬레이션은 암모니아가 아시아 몬순 동안 효율적으로 상공으로 대류되어 대류권 상층에서 급속한 다중산성 HNO3-H2SO4-NH3 핵 생성을 유도하고 북반구 중위도 전역에 퍼지는 얼음 핵 생성 입자를 생성한다는 것을 확인합니다.

강렬한 입자 형성은 열대 대류 지역1,2,4 위 대류권 상층에서 지속적이고 전지구적인 규모의 띠로서 대기 측정에 의해 관찰되었습니다. 상부 대류권 핵 생성은 전 세계 CCN3의 최소 1/3을 제공하는 것으로 생각됩니다. 산업 혁명 이후 에어로졸의 증가와 구름과의 상호 작용으로 인해 온실 가스에 의한 지구 복사 강제력의 상당 부분이 가려졌습니다. 미래의 대기 오염 감소로 인한 에어러솔 복사 강제력의 전망은 매우 불확실합니다7. 오늘날의 핵형성에는 거의 모든 대류권에 걸쳐 황산(H2SO4)이 포함됩니다8. 그러나 H2SO4-H2O의 이원 핵 생성은 느리므로 암모니아(NH3)9 및 유기물10,11과 같은 추가 증기를 사용한 삼원 또는 다성분 핵 생성은 관찰된 새로운 입자 형성 속도3,8,12를 설명하는 데 필요합니다.

암모니아는 산-염기 핵생성을 안정화하고 입자 형성 속도를 강력하게 향상시킵니다9. 그러나 암모니아는 물에 대한 용해성과 산과의 반응성이 대류 구름에서 효율적으로 제거되어야 하기 때문에 대류권 상부에서는 극도로 부족한 것으로 생각됩니다. 그러나 이 가정은 관찰에 의해 뒷받침되지 않습니다. 암모니아 증기는 아시아 몬순 상층 대류권에서 반복적으로 감지되었으며, 3개월 평균5에서는 최대 30 pptv(2.5 × 108 cm−3)의 혼합 비율과 핫스팟에서는 최대 1.4 ppbv(1.2 × 1010 cm−3)의 혼합 비율을 보였습니다6 . 빙하 작용 중에 구름 방울에서 용해된 암모니아가 방출될 수 있습니다13. 대류권 상부로 방출된 암모니아는 질산과 함께 입자를 형성할 수 있으며, 이는 번개에 의해 풍부하게 생성됩니다14,15. 이 입자들은 암모니아 증기보다 더 오래 살고 더 멀리 이동하며, 북반구의 대류권 상부 전체와 성층권 하부에 영향을 미칠 가능성이 있습니다6.

상부 대류권 입자 형성에서 질산과 암모니아의 역할과 메커니즘에 대한 근본적인 질문이 남아 있습니다. CERN의 최근 CLOUD(Cosmics Leaving Outdoor Droplets) 실험에서는 278K 미만의 질산과 암모니아 증기가 직경이 몇 나노미터만큼 작은 새로 형성된 입자로 응축되어 CCN 크기로 빠르게 성장할 수 있음을 보여주었습니다16. 더 낮은 온도(258K 미만)에서는 질산과 암모니아가 직접 핵을 생성하여 질산암모늄 입자를 형성할 수 있지만, 순수한 HNO3-NH3 핵 생성은 비슷한 조건에서 H2SO4-NH3 핵 생성과 경쟁하기에는 너무 느립니다. 그러나 여기에 제시된 결과는 세 가지 증기가 모두 존재할 때 시너지 상호 작용이 세 가지 구성 요소 중 두 가지의 것보다 핵 생성 속도를 몇 배 더 빠르게 유도한다는 것을 보여줍니다. 이러한 다중 산-암모니아 메커니즘을 통해 핵이 생성되면 입자는 NH3와 HNO3만의 공동 응축에 의해 빠르게 성장할 수 있으며, 둘 다 상부 대류권의 H2SO4보다 훨씬 더 풍부할 수 있습니다.

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>