Международная группа исследователей установила, что частицы атмосферных аэрозолей, которые длительное время считались жидкими, фактически являются аморфными твердыми частицами.

Результаты исследования могут быть использованы для более глубокого понимания особенностей образования подобных частиц и, таким образом, увеличить предсказательные способности существующих моделей атмосферной химии.

Рис. 1. Картина отражения частиц вторичных органических аэрозолей позволяет говорить о том, что они находятся в аморфном состоянии. (Рисунок из Nature, 2010, DOI: 10.1038/nature09455).

Частицы вторичных органических аэрозолей [secondary organic aerosol (SOA)] появляются в атмосфере благодаря окислению летучих органических соединений [volatile organic compounds (VOC)], главным образом имеющих растительное происхождение. Эти аэрозоли влияют на климат Земли, рассеивая излучение Солнца и играя роль центров нуклеации для облаков. Информация об их агрегатном и фазовом состоянии важна для понимания того, как образуются атмосферные аэрозоли, а это, в свою очередь, важно для построения климатических и метеорологических моделей. Хотя ранее уже высказывались предположения о том, что частицы вторичных органических аэрозолей твердые, новое исследование предоставляет прямое экспериментальное доказательство этих догадок, и говорящее о том, что существующие модели протекания атмосферных процессов должны быть пересмотрены.

Возглавлявшая исследование Аннеле Виртанен (Annele Virtanen) из Технологического Университета Тампере (Финляндия) отмечает, что первоначальный анализ экспериментальных данных привел к тому, что исследователи начали сомневаться в исправности своей аппаратуры. Лишь многочисленные дополнительные эксперименты и тщательный анализ убедили исследователей в том, что единственное объяснение наблюдаемым результатам может быть только то, что частицы аэрозоля не жидкие, а твердые.

Исследователи улавливали частицы вторичных органических аэрозолей, накапливающиеся в камерах, в которых росли саженцы шотландской сосны. Растения выделяют терпеноиды, которые, попадая в атмосферу, реагируют с кислородом, озоном и гидроксильными радикалами, образуя частицы вторичных органических аэрозолей. С помощью электрического импактора низкого давления исследователи осаждали частицы аэрозоля, заставляя их сталкиваться с металлической подложкой-субстратом. Будучи в жидком состоянии, частицы должны были оседать на поверхность субстрата, однако исследователи наблюдали их отражение от субстрата.

Сравнение картины взаимодействия частиц вторичных органических аэрозолей с поверхностью металлического субстрата с известными картинами взаимодействия аэрозольных частиц, находящихся в жидком, кристаллическом или аморфном состоянии, исследователи сделали вывод о том, что частицы вторичных органических аэрозолей должны представлять аморфные твердые тела. Эта гипотеза была подтверждена с помощью электронной микроскопии, которая помимо фазового состояния частиц позволила определить их форму.

Исследования вторичных органических аэрозолей в естественных природных условиях – в северных хвойных лесах позволили получить результаты, близкие результатам, полученным в «парнике» с саженцами. Хотя фактор отражения частиц вторичных органических аэрозолей, образующихся в естественных условиях, был ниже, чем фактор отражения, зафиксированный для модели, он был существенно выше фактора отражения жидких частиц (определенных на основании модельных аэрозолей из диоктилового эфира себациновой кислоты) и слегка выше фактора отражения кристаллических частиц (в этом случае модельный аэрозоль состоял из частиц сульфата аммония).

Тем не менее, открытие не означает, что все существующие климатические модели в корне неверны. Виртанен отмечает, что в настоящее время в климатических моделях основная неопределенность связана с магнитудой охлаждающего эффекта, создаваемого аэрозолями. Исследователи уверены, что предсказательная способность моделей в атмосферной химии станет более точной при использовании в их построении правильного агрегатного и фазового состояния аэрозолей, а также химических процессов образования вторичных органических аэрозолей, хотя и существует вероятность того, что точность предсказаний останется на том же уровне, что и точность существующих атмосферно-климатических моделей.

По материалам: