HNO3 synergique - Chauffage ATM du Yunnan Co., Ltd

Nature volume 605, pages 483-489 (2022)Citer cet article

12 000 accès

13 citations

215 Altmétrique

Détails des métriques

La formation de nouvelles particules dans la haute troposphère libre est une source mondiale majeure de noyaux de condensation des nuages (CCN)1,2,3,4. Cependant, les vapeurs de précurseurs qui pilotent le processus ne sont pas bien comprises. Grâce à des expériences réalisées dans des conditions de haute troposphère dans la chambre CLOUD du CERN, nous montrons que l'acide nitrique, l'acide sulfurique et l'ammoniac forment des particules en synergie, à des vitesses qui sont plusieurs fois plus rapides que celles de deux des trois composants. L’importance de ce mécanisme dépend de la disponibilité de l’ammoniac, que l’on pensait auparavant être efficacement éliminé par les gouttelettes nuageuses lors de la convection. Cependant, des concentrations étonnamment élevées d’ammoniac et de nitrate d’ammonium ont récemment été observées dans la haute troposphère au-dessus de la région asiatique de mousson5,6. Une fois les particules formées, la co-condensation de l’ammoniac et de l’acide nitrique abondant suffit à elle seule pour entraîner une croissance rapide jusqu’à la taille du CCN avec seulement des traces de sulfate. De plus, nos mesures montrent que ces CCN sont également des particules de nucléation de glace très efficaces, comparables à la poussière du désert. Nos simulations de modèles confirment que l'ammoniac est efficacement convecté en altitude pendant la mousson asiatique, entraînant une nucléation rapide et multiacide de HNO3 – H2SO4 – NH3 dans la haute troposphère et produisant des particules de nucléation de glace qui se propagent dans l'hémisphère nord aux latitudes moyennes.

Une formation intense de particules a été observée par des mesures aéroportées sous la forme d’une bande persistante à l’échelle mondiale dans la haute troposphère au-dessus des régions convectives tropicales1,2,4. On pense que la nucléation de la haute troposphère fournit au moins un tiers du CCN3 global. L’augmentation des aérosols depuis la révolution industrielle et leurs interactions avec les nuages ont masqué une grande partie du forçage radiatif mondial dû aux gaz à effet de serre. Les projections du forçage radiatif des aérosols résultant des réductions futures de la pollution atmosphérique sont très incertaines7. La nucléation actuelle implique l'acide sulfurique (H2SO4) dans presque toute la troposphère8. Cependant, la nucléation binaire de H2SO4 – H2O est lente et, par conséquent, une nucléation ternaire ou à plusieurs composants avec des vapeurs supplémentaires telles que l'ammoniac (NH3)9 et des matières organiques10,11 est nécessaire pour tenir compte des taux de formation de nouvelles particules observés3,8,12.

L'ammoniac stabilise la nucléation acide-base et améliore fortement les taux de formation de particules9. Cependant, on pense que l'ammoniac est extrêmement rare dans la haute troposphère car sa solubilité dans l'eau et sa réactivité avec les acides devraient conduire à une élimination efficace dans les nuages convectifs. Cependant, cette hypothèse n’est pas étayée par l’observation. Des vapeurs d'ammoniac ont été détectées à plusieurs reprises dans la haute troposphère de la mousson asiatique, avec des rapports de mélange allant jusqu'à 30 pptv (2,5 × 108 cm−3) pour une moyenne sur trois mois5 et jusqu'à 1,4 ppbv (1,2 × 1010 cm−3) dans les points chauds6. . La libération d’ammoniac dissous par les gouttelettes nuageuses peut se produire pendant la glaciation13. Une fois libéré dans la haute troposphère, l’ammoniac peut former des particules avec de l’acide nitrique, produit en abondance par la foudre14,15. Ces particules vivront plus longtemps et voyageront plus loin que la vapeur d’ammoniac, avec le potentiel d’influencer l’ensemble de la haute troposphère et de la basse stratosphère de l’hémisphère Nord6.

Des questions fondamentales demeurent quant au rôle et aux mécanismes de l’acide nitrique et de l’ammoniac dans la formation des particules de la haute troposphère. Des expériences récentes CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) au CERN ont montré que les vapeurs d'acide nitrique et d'ammoniac en dessous de 278 K peuvent se condenser sur des particules nouvellement formées aussi petites que quelques nanomètres de diamètre, entraînant une croissance rapide jusqu'à la taille du CCN16. À des températures encore plus basses (inférieures à 258 K), l'acide nitrique et l'ammoniac peuvent directement nucléer pour former des particules de nitrate d'ammonium, bien que la nucléation pure de HNO3-NH3 soit trop lente pour rivaliser avec la nucléation de H2SO4-NH3 dans des conditions comparables. Cependant, les résultats que nous présentons ici montrent que, lorsque les trois vapeurs sont présentes, une interaction synergique entraîne des taux de nucléation plusieurs fois plus rapides que ceux de deux des trois composants. Une fois nucléées par ce mécanisme multiacide-ammoniac, les particules peuvent croître rapidement par co-condensation de NH3 et de HNO3 seuls, qui peuvent tous deux être bien plus abondants que H2SO4 dans la haute troposphère.

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. A microphysical model reproduces the main features of the observed particle formation (dashed lines; see text for details). b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. Sulfuric acid through SO2 oxidation started to appear soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 2.3 × 106 cm−3 after a wall-loss-rate timescale of around 10 min. The subsequent H2SO4–NH3 nucleation led to a relatively slow formation rate of 1.7-nm particles. The particles did not grow above 2.5 nm because of their slow growth rate and corresponding low survival probability against wall loss. Following injection of 2.0 × 109 cm−3 nitric acid into the chamber after 115 min, while leaving the production rate of sulfuric acid and the injection rate of ammonia unchanged, we observed a sharp increase in particle formation rate (panel b), together with rapid particle growth of 40 nm h−1 (panel c). The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. We started the experiment by oxidizing NO2 to produce 1.6 × 109 cm−3 HNO3 in the presence of about 6.5 × 108 cm−3 ammonia. At time = 0 min, we turned off the high-voltage clearing field to allow the ion concentration to build up to a steady state between GCR production and wall deposition. The presence of ions (GCR condition) induces slow HNO3–NH3 nucleation, followed by relatively fast particle growth by nitric acid and ammonia condensation. We thus observe formation of both 1.7-nm and 2.5-nm particles by about one order of magnitude in about 3.5 h, with a slower approach to steady state because of the longer wall deposition time constant for the larger particles. Then, we increased H2SO4 in the chamber from 0 to 4.9 × 106 cm−3 by oxidizing progressively more injected SO2 after 211 min, with a fixed production rate of nitric acid and injection rate of ammonia. Subsequently, particle concentrations increase by three orders of magnitude within 30 min. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively; gas-phase ammonia versus time, calculated with a first-order wall-loss rate. Before the experiment, we cleaned the chamber by rinsing the walls with ultra-pure water, followed by heating to 373 K and flushing at a high rate with humidified synthetic air for 48 h. We started with an almost perfectly clean chamber and only HNO3, SO2 and O3 vapours present at constant levels. Sulfuric acid starts to appear by means of SO2 oxidation soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 5.0 × 106 cm−3 with the wall-loss timescale of about 10 min. Subsequently, we observe slow formation of 1.7-nm particles, yet they do not reach 2.5 nm during the course of a 2-h period with small growth rates and low survival probability. Then, owing to the injection of ammonia from 0 to around 6.5 × 108 cm−3 into the chamber after 80 min, a sharp increase in the rate of particle formation is observed with a fixed production rate of sulfuric acid and injection rate of nitric acid. The sulfuric acid concentration decreases slightly afterwards, owing to accumulated condensation sink from fast particle growth. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>