HNO3 sinergico

Oct 22, 2023

Natura volume 605, pagine 483–489 (2022)Citare questo articolo

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La formazione di nuove particelle nell'alta troposfera libera è una delle principali fonti globali di nuclei di condensazione delle nubi (CCN)1,2,3,4. Tuttavia, i vapori precursori che guidano il processo non sono ben compresi. Con esperimenti eseguiti in condizioni dell’alta troposfera nella camera del CERN CLOUD, abbiamo dimostrato che l’acido nitrico, l’acido solforico e l’ammoniaca formano particelle in sinergia, a velocità che sono ordini di grandezza più veloci di quelle di due qualsiasi dei tre componenti. L’importanza di questo meccanismo dipende dalla disponibilità di ammoniaca, che in precedenza si pensava fosse efficacemente eliminata dalle goccioline delle nubi durante la convezione. Tuttavia, recentemente sono state osservate concentrazioni sorprendentemente elevate di ammoniaca e nitrato di ammonio nell’alta troposfera, sopra la regione monsonica asiatica5,6. Una volta che le particelle si sono formate, la co-condensazione dell'ammoniaca e dell'abbondante acido nitrico da sola è sufficiente per portare una rapida crescita alle dimensioni CCN con solo tracce di solfato. Inoltre, le nostre misurazioni mostrano che questi CCN sono anche particelle nucleanti del ghiaccio altamente efficienti, paragonabili alla polvere del deserto. Le nostre simulazioni confermano che l’ammoniaca viene trasportata in modo efficiente in alto durante il monsone asiatico, determinando una rapida nucleazione multi-acida di HNO3–H2SO4–NH3 nella troposfera superiore e producendo particelle nucleanti di ghiaccio che si diffondono nell’emisfero settentrionale alle medie latitudini.

Attraverso misurazioni aeree è stata osservata un'intensa formazione di particelle come una banda persistente su scala globale nella troposfera superiore sopra le regioni convettive tropicali1,2,4. Si ritiene che la nucleazione troposferica superiore fornisca almeno un terzo del CCN3 globale. L’aumento degli aerosol a partire dalla rivoluzione industriale e le loro interazioni con le nuvole hanno mascherato gran parte della forzante radiativa globale da parte dei gas serra. Le proiezioni della forzante radiativa degli aerosol derivanti dalla futura riduzione dell’inquinamento atmosferico sono altamente incerte7. La nucleazione odierna coinvolge l'acido solforico (H2SO4) su quasi tutta la troposfera8. Tuttavia, la nucleazione binaria di H2SO4–H2O è lenta e, quindi, la nucleazione ternaria o multicomponente con vapori extra come ammoniaca (NH3)9 e sostanze organiche10,11 è necessaria per tenere conto dei tassi osservati di formazione di nuove particelle3,8,12.

L'ammoniaca stabilizza la nucleazione acido-base e aumenta notevolmente i tassi di formazione delle particelle9. Tuttavia, si ritiene che l’ammoniaca sia estremamente scarsa nell’alta troposfera perché la sua solubilità in acqua e la reattività con gli acidi dovrebbero portare ad un’efficace rimozione nelle nubi convettive. Tuttavia, questa ipotesi non è supportata dall’osservazione. Vapori di ammoniaca sono stati rilevati ripetutamente nell'alta troposfera monsonica asiatica, con rapporti di miscelazione fino a 30 pptv (2,5 × 108 cm−3) per una media di tre mesi5 e fino a 1,4 ppbv (1,2 × 1010 cm−3) negli hotspot6 . Il rilascio di ammoniaca disciolta dalle goccioline delle nubi può verificarsi durante la glaciazione13. Una volta rilasciata nell'alta troposfera, l'ammoniaca può formare particelle con acido nitrico, prodotto in abbondanza dai fulmini14,15. Queste particelle vivranno più a lungo e viaggeranno più lontano del vapore di ammoniaca, con il potenziale di influenzare l’intera troposfera superiore e la stratosfera inferiore dell’emisfero settentrionale6.

Rimangono domande fondamentali sul ruolo e sui meccanismi dell'acido nitrico e dell'ammoniaca nella formazione delle particelle nella troposfera superiore. Recenti esperimenti CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) al CERN hanno dimostrato che i vapori di acido nitrico e ammoniaca al di sotto di 278 K possono condensarsi su particelle appena formate piccole fino a pochi nanometri di diametro, determinando una rapida crescita fino alle dimensioni CCN16. A temperature ancora più basse (sotto i 258 K), l'acido nitrico e l'ammoniaca possono nucleare direttamente per formare particelle di nitrato di ammonio, sebbene la nucleazione pura di HNO3–NH3 sia troppo lenta per competere con la nucleazione di H2SO4–NH3 in condizioni comparabili. Tuttavia, i risultati che presentiamo qui mostrano che, quando sono presenti tutti e tre i vapori, un’interazione sinergica guida i tassi di nucleazione più velocemente di ordini di grandezza rispetto a quelli di due qualsiasi dei tre componenti. Una volta nucleate attraverso questo meccanismo multi-acido-ammoniaca, le particelle possono crescere rapidamente per co-condensazione solo di NH3 e HNO3, entrambi i quali possono essere molto più abbondanti di H2SO4 nella troposfera superiore.