질산과 암모니아 응축에 의한 새로운 대기입자의 급속한 성장

Nature 581권, 184~189페이지(2020)이 기사 인용

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저자 목록과 소속 기관은 논문 마지막 부분에 나와 있습니다. 새로운 입자 형성은 도시 스모그의 주요 원인이지만1,2 도시에서 발생하는 방식은 종종 수수께끼입니다3. 도시 입자의 성장률이 청정 환경에서 발견되는 속도(시간당 1~10나노미터)와 유사하다면 기존 이해에 따르면 새로운 도시 입자는 고농도의 기존 입자에 의해 신속하게 제거되어야 합니다. 여기서 우리는 CERN의 CLOUD 챔버 대기 조건에서 수행된 실험을 통해 섭씨 약 +5도 이하에서 질산 및 암모니아 증기가 직경 수 나노미터만큼 작은 새로 핵 생성된 입자로 응축될 수 있음을 보여줍니다. 더욱이 날씨가 충분히 추울 때(섭씨 -15도 미만) 질산과 암모니아는 산-염기 안정화 메커니즘을 통해 직접 핵을 생성하여 질산암모늄 입자를 형성할 수 있습니다. 이러한 증기가 황산보다 1,000배 더 많은 경우가 많다는 점을 감안할 때 결과적인 입자 성장 속도는 매우 높아서 시간당 100나노미터를 훨씬 초과할 수 있습니다. 그러나 이러한 높은 성장률을 위해서는 가스상 과포화를 유지하기 위해 가스 입자 질산암모늄 시스템이 평형 상태를 벗어나야 합니다. 기상 과포화에 대해 측정하는 강한 온도 의존성을 고려하여, 수직 혼합 및 교통과 같은 강력한 지역 소스에 의해 특히 겨울철에 불균일한 도시 환경에서 그러한 과도 조건이 발생할 것으로 예상합니다. 질산과 암모니아 응축으로 인한 급속한 성장은 단 몇 분 동안만 지속될 수 있지만 그럼에도 불구하고 새로 핵이 생성된 입자가 청소 손실에 가장 취약한 가장 작은 크기 범위를 통과하여 생존 확률이 크게 높아질 만큼 충분히 빠릅니다. 우리는 또한 암모니아가 대륙 경계층에서 대류될 수 있고 뇌우로 인해 질산이 풍부한 비교적 깨끗하고 차가운 자유 대류권 상층부에서 질산과 암모니아 핵생성과 빠른 성장이 중요할 것으로 예상합니다4,5.

새로운 입자의 형성은 산업혁명 이후 이산화탄소와 기타 장수명 온실가스에 의해 야기된 복사강제력의 최대 절반을 가릴 수 있습니다6. 현재의 입자 형성은 전 세계적으로 주로 황산 증기와 관련이 있는 것으로 생각됩니다7,8,9. 후속 입자 성장은 종종 유기 분자를 포함하여 더욱 풍부해집니다. 종종 성장은 새로 핵이 생성된 클러스터에서 직경 50 또는 100 nm까지 입자가 생존하기 위한 제한 단계이며, 여기서 입자는 빛을 직접 산란시키고 종자 구름을 형성할 만큼 충분히 커집니다11,12.

거대 도시의 새로운 입자 형성은 특히 중요합니다2. 부분적으로는 거대 도시의 대기 오염이 공중 보건 위기를 초래하기 때문일 뿐만 아니라 거대 도시의 도시 안개와 관련된 지역적 기후 강제력이 클 수 있기 때문입니다14. 그러나 오염이 심한 대도시에서 새로운 입자 형성은 종종 당혹스럽습니다. 왜냐하면 겉보기 입자 성장 속도는 외딴 지역의 성장 속도보다 약간 빠르지만(대략 3배) 증기 응축 싱크(배경 입자로)는 최대 2배 더 커집니다(확장 데이터 그림 1). 이는 직경(dp)이 10 nm 이하인 입자가 높은 브라운 확산도를 갖고 빠르게 성장하지 않는 한 응고 소거에 의해 손실되는 '죽음의 계곡'에서 생존 확률이 매우 낮다는 것을 의미합니다7,15.

질산암모늄은 오랫동안 대기 에어로졸의 중요하면서도 반휘발성 성분으로 인식되어 왔습니다16. 특히 겨울과 농업 지역에서는 미립자 질산염이 심각한 대기 질 문제가 될 수 있습니다17. 그러나 질산과 암모니아 증기를 입자상 질산암모늄으로 분리하면 빠르게 평형에 도달하여 따뜻할 때 기체 상태를 선호하는 것으로 생각됩니다.