O papel crítico da dimetilamina na rápida formação de partículas de ácido iódico em áreas marinhas

npj Climate and Atmospheric Science volume 5, Número do artigo: 92 (2022) Cite este artigo

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A formação de novas partículas marinhas (NPF) pode afetar os núcleos de condensação de nuvens (CCN) na atmosfera global. Recentemente, o ácido iódico (IA) foi identificado como um fator crítico para o NPF marinho. No entanto, as observações atmosféricas de IA não podem ser associadas às taxas de formação de partículas previstas. Dada a complexidade dos componentes atmosféricos, outras espécies podem promover a formação de partículas IA. Como um estabilizador eficiente para precursores ácidos, a dimetilamina (DMA) tem uma ampla distribuição nos oceanos. Assim, investigamos o processo de nucleação de DMA e IA sob diferentes condições atmosféricas e descobrimos o mecanismo de nucleação correspondente usando uma abordagem química quântica e o Atmospheric Cluster Dynamics Code (ACDC). As descobertas mostram que o DMA pode estabilizar estruturalmente o IA por meio de ligações de hidrogênio e halogênio, e o processo de agrupamento é sem barreira de energia. Além disso, o DMA pode aumentar a taxa de formação de clusters IA em cinco ordens de grandeza, e sua eficiência em promover a formação de clusters IA é muito maior do que a do NH3. Em comparação com a nucleação via adição sequencial de IA, a nucleação IA-DMA desempenha um papel mais dominante na cinética de nucleação. Assim, o efeito do DMA em aumentar a estabilidade e a taxa de formação do cluster IA não pode ser ignorado, especialmente nas regiões próximas à fonte de emissões de IA e DMA. Em termos gerais, o mecanismo de nucleação IA-DMA proposto pode ajudar a explicar algumas fontes ausentes de partículas e, portanto, eventos NPF marinhos intensivos.

O aerossol marinho atua como o sistema de aerossol natural mais importante do mundo, afetando significativamente o balanço de radiação global e o sistema climático por meio de conversão adicional em núcleos de condensação de nuvens (CCN)1,2. A formação de novas partículas (NPF) iniciada por meio da nucleação de moléculas gasosas fornece uma importante fonte de aerossol atmosférico3,4. Portanto, para entender melhor a formação do aerossol marinho, o desafio crítico envolve a especiação química dos precursores da nucleação e desvendar o mecanismo de nucleação correspondente no nível molecular5,6.

Globalmente, os NPF marinhos são significativamente influenciados por emissões biogênicas, embora impactos antrópicos também estejam envolvidos, em menor grau, especialmente no oceano remoto7. Observações de campo mostraram que o NPF marinho está intimamente relacionado às moléculas portadoras de iodo8, que se originam de vapores de iodo emitidos por algas marinhas9,10. Entre esses componentes de iodo, o ácido iódico (HIO3, IA) foi identificado como o principal condutor de NPF nas regiões costeiras, de oceano aberto e polares cobertas de gelo11,12,13. No entanto, as observações atmosféricas de IA não podem ser associadas às taxas de formação de partículas previstas14. Dada a complexidade dos componentes atmosféricos, outros precursores amplamente disseminados nos oceanos, principalmente de emissões biológicas, também podem estar envolvidos no processo de formação das partículas IA. Aminas (por exemplo, monometilamina MA, dimetilamina DMA e trimetilamina TMA), como bases nitrogenadas amplamente distribuídas na atmosfera15, possuem basicidade relativamente forte e, consequentemente, efeito de estabilização em precursores de nucleação ácida, como o conhecido ácido sulfúrico (SA)15,16 e ácido metanossulfônico (MSA)17,18. Como o estabilizador mais forte dessas moléculas de amina (DMA ≥ TMA > MA)16, o DMA mais extensivamente estudado foi identificado como um importante precursor de nucleação na cidade costeira de Xangai, China19, litoral da Califórnia20 e sobre o oceano aberto21,22. Além disso, o DMA generalizado tem uma concentração atmosférica considerável (0,4–10 pptv) sobre o oceano, tornando-o importante para o NPF23 marinho. Considerando a capacidade do DMA de estabilizar eficientemente os precursores ácidos e sua ampla distribuição na atmosfera marinha24,25,26,27, existe um potencial para o DMA estabilizar as moléculas de IA por meio de reações ácido-base. No entanto, se DMA é capaz de agrupamento rápido com IA e o processo de nucleação correspondente é desconhecido no nível molecular.

O-H…O (13%) > O-H…N (5%) > N-H…N (3%). The high percentage of N-H…O is due to the N-H covalent bonds formed by proton transfer (O-H…N → O…H-N) within most IA-DMA clusters./p> 0 and H(r) < 0. And for XBs within clusters, O-I…O contributes more (84%) than O-I…N XBs (16%), acting mainly between IA molecules. Overall, IA-DMA clusters are jointly stabilized by multiple types of intermolecular HBs and XBs. Also, during the clustering process, the acid-base reactions between IA and DMA occur in most clusters, resulting in acid-base ion pairs./p>1)54. Once the boundary clusters (the smallest ones out of the system) are formed, they tend to keep growing without evaporating into smaller sizes28. Here, the boundary clusters in the IA-DMA system are set to be (IA)7, (IA)5.(DMA)2 and (IA)6.(DMA)1 clusters (see Supplementary Methods). For the IA-NH3 system, the boundary clusters are set to be (IA)7 and (IA)6.(NH3)1 clusters with reference to previous study35. Moreover, the effect of different condensation sink coefficients (1.0 × 10−2–1.0 × 10−4 s−1), covering coastal to polar regions8,14,32, on the results was examined in Supplementary Figs. 4, 5./p>