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Jul 16, 2023

Nuova formazione e destino dei marcatori SOA dell'isoprene rivelati dai dati sul campo

npj Climate and Atmospheric Science volume 6, Numero articolo: 69 (2023) Cita questo articolo 868 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche Particolato 2-metiltetroli (2-MT) ​​e acido 2-metilglicerico (2-MG)

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Il particolato 2-metiltetroli (2-MT) ​​e l'acido 2-metilglicerico (2-MG) sono tipicamente utilizzati per indicare l'abbondanza di aerosol organici secondari (SOA) derivati ​​dall'isoprene. Tuttavia, la loro formazione e il loro destino non sono del tutto chiari. In questo studio, abbiamo dimostrato che il particolato 2-MT e 2-MG raccolto in più siti di monitoraggio in un'ampia gamma di condizioni atmosferiche e di emissione, con concentrazioni che coprono sei ordini di grandezza, sono ben riprodotti con uno schema espanso di isoprene-SOA implementato in il modello Community Multiscale Air Quality (CMAQ). Lo schema considera la loro ripartizione trifase (fase gassosa-acquosa-organica), la formazione da reazioni multifase guidate da acidi e la degradazione da parte dei radicali OH nelle fasi gassosa e acquosa. I risultati del modello rivelano che è necessario un percorso di formazione non acquoso o un'emissione biogenica diretta per integrare il processo di reazione multifase guidato dall'acido comunemente assunto per spiegare le concentrazioni osservate di 2-MT. Questo percorso mancante contribuisce per il 20-40% al 2-MT in aree con pH dell'aerosol <2 e per oltre il 70% in condizioni meno acide (pH ~ 2-5), come quelle incontrate negli Stati Uniti occidentali e in Cina. Si stima che la tipica durata fotochimica estiva in fase gassosa di 2-MT e 2-MG sia rispettivamente di 4–6 e 20–30 ore, mentre la loro durata in acqua è di circa 20–40 ore. Le nostre simulazioni mostrano che il 2-MT previsto è principalmente influenzato dalla sua perdita in fase acquosa in OH, ma 2-MG è più sensibile alla perdita di OH in fase gassosa a causa della partizione preferenziale dei due traccianti rispettivamente nelle fasi acquosa e gassosa.

L’isoprene è il composto organico volatile biogenico (COV) non metanico più abbondante emesso nell’atmosfera, con emissioni globali annuali stimate di 500–750 Tg1. È altamente reattivo e può essere ossidato dal radicale idrossile (OH)2,3, dall'ozono (O3)4 e dal radicale nitrato (NO3)5 per generare prodotti aerosol organici semivolatili e poco volatili6,7,8,9,10. Nelle aree con maggiori emissioni di isoprene, come gli Stati Uniti orientali (USA), l’isoprene contribuisce a oltre il 45% dell’aerosol organico secondario (SOA) estivo11.

La composizione chimica dell'isoprene SOA è stata ampiamente studiata in esperimenti in camera e studi di modellazione9,10,12,13. Tra le specie SOA di isoprene identificate, i 2-metiltetroli (2-MT, inclusi 2-metiltreitolo e 2-metileritritolo)14 e l'acido 2-metilglicerico (2-MG) sono considerati composti traccianti unici15,16 e sono stati ampiamente utilizzati per stimare la SOA complessiva derivata dall'isoprene negli studi sul campo17,18. Si è scoperto che i precursori immediati di 2-MT e 2-MG sono prodotti solubili in acqua, ovvero isoprene epossidioli (IEPOX) derivanti dall'ossidazione di isoprene OH in condizioni di basso NOx9,19, ed epossido di acido metacrilico (MAE) e idrossimetil-metil- α-lattone (HMML) formato rispettivamente in condizioni di NOx elevato10,20. Si ritiene che la formazione di 2-MT e 2-MG avvenga principalmente nell'acqua aerosol altamente acida attraverso l'assorbimento irreversibile superficiale di IEPOX e MAE/HMML, rispettivamente9,10,21,22. Sulla base di questi studi, Pye et al.23 e Budisluistiorini et al.24 hanno implementato uno schema di reazione multifase in un modello di trasporto chimico regionale per prevedere esplicitamente la generazione di 2-MT e 2-MG nell'acqua aerosol.

Tuttavia, 2-MT e 2-MG sono stati rilevati anche nella fase aerosol in condizioni secche e in aerosol di semi non acidi generati in laboratorio15,16,25,26,27. È stato proposto che il 2-MT venga emesso principalmente in fase gassosa a causa di processi biologici e fattori di stress ambientale28, e la sua corrente ascensionale convettiva e la partizione delle particelle di gas hanno dimostrato di spiegare le misurazioni aeree della troposfera superiore di IEPOX-SOA sulla foresta amazzonica29. Questi studi suggeriscono la potenziale esistenza di percorsi non acquosi per il 2-MT dall'isoprene. Sebbene Budisluistiorini et al. hanno dimostrato che i due traccianti potevano essere ragionevolmente stimati esclusivamente dalle reazioni multifase guidate dall'acido, il loro trattamento dei due traccianti come specie non volatili e non reattive potrebbe compensare le vie non acquose potenzialmente mancanti23,30. In realtà, i traccianti sono stati rilevati in quantità significative nelle fasi gassose e particellari in esperimenti sul campo, suggerendo che entrambe le specie sono probabilmente semivolatili31,32,33. Inoltre, le reazioni di ossidazione 2-MT e 2-MG con radicali OH nella fase gassosa e acquosa potrebbero essere percorsi di rimozione efficaci, che non sono stati considerati negli studi di modellizzazione28,34,35,36.