Science cikk a légköri nukleáció új kémiai mechanizmusáról

A légköri nukleációt, vagyis az újrészecske-képződési és növekedési eseményt legelőször 1989-ben azonosították egy boreális erdőben. Sokáig úgy tartották, hogy távoli és tiszta levegőkörnyezetben fordul elő. A Budapest Aeroszol Kutató és Oktató Platform (BpART) Laboratórium kutatói, Salma Imre, az ELTE Analitikai Kémiai Tanszék professzora vezetésével az elsők között bizonyították, hogy szennyezett, városi környezetben, például Budapesten is, rendszeresen megvalósul a légköri nukleáció.

A légköri nukleáció egy elsőrendű fázisátalakulás. Ennek folyamán gázokból (pl. SO₂, illékony szerves vegyületek, vagyis VOC-k) fotokémiai oxidációt követően gőzök (pl. H₂SO₄, extrém kis illékonyságú VOC-k) keletkeznek, amelyek egyéb, légköri anyagokkal (pl. H₂O pára, NH₃) szilárd vagy folyékony fázist hoznak létre a levegőben, diszpergált formában. A folyamat tehát aeroszol rendszert eredményez. A folyamattal kapcsolatos ún. banángörgét az alábbi ábrán mutatjuk be.

Új aeroszol részecskék keletkezése és növekedése 2020. augusztus 25-én Budapesten.
A piros színű alakzat a banángörbe.

Éves skálán minden ötödik napon előfordul ilyen esemény Budapesten. A gyakorisága markáns időeloszlással rendelkezik, ami a kiváltó okok univerzális jellegével kapcsolatos. A nukleáció a részecskék számának koncentrációját a szokásos, belvárosi érték 2–3-szorosára növeli. A városi folyamat dinamikai tulajdonságai jelentősen eltérnek más típusú környezetekéhez képest. A jelenséget azóta megavárosokban is megfigyelték.

A nukleáció havi gyakoriságának átlagos eloszlása 2008 és 2021 között Budapesten.

Nukleáció eredményezi az aeroszol részecskék számának döntő részét a globális légkörben. Ezen túlmenően, az így keletkezett részecskék növekedésével felhőkondenzációs magvak (CCN) jönnek létre. Sőt, a CCN számának mintegy fele légköri nukleációból származik. Jelentőségük abban van, hogy ezek e részecskék elengedhetetlenek a felhők kialakulásához. Tiszta levegőben ugyanis többszáz százalékos túltelítettség fölött keletkezne csak felhőcsepp, ám ehhez még közeli körülmények sem léteznek a légkörben. A cseppek kialakulási folyamatáról kevés ismerettel rendelkezünk nemzetközileg is. Pedig a felhők születése és tulajdonságai meglehetősen fontosak az éghajlatváltozás szempontjából. Az éghajlati modellek legnagyobb egyedi bizonytalansággal rendelkező összetevője az aeroszol, pontosabban annak a felhők közvetítésével kifejtett hatása.

Az aeroszol részecskék koncentrációja jelentősen változhat a légkörben. Szennyezett levegőben az adott mennyiségű vízgőz több részecskére kondenzálódik túltelítettség esetén.Így nagyobb számú, de kisebb méretű cseppek keletkeznek. Az ilyen felhők tartózkodási ideje megnő. A cseppek teljes felülete nagyobb (a tisztább levegőben képződő felhőcseppekéhez képest), és ezért jobban szórják mind a Nap, mind a Föld hőmérsékleti sugárzását. Bolygónk legtöbb térségében és a felhő típusától is függően a napsugárzás szórása a jelentősebb, ami végül csökkenő hőmérsékletet eredményez a felszínen. Az aeroszol okozta hűtő hatás ellensúlyozza az üvegházgázok többlet melegítő hatását, és hozzájárul az élhető éghajlathoz. Nagyobb CCN koncentrációk esetén előfordul, hogy a felhőcseppek nem nőnek meg elég méretesre ahhoz, hogy csapadékként távozzanak a levegőből. Az aeroszol tehát a víz biogeokémiai körforgásában is szerepet játszik. A kevesebb csapadék vagy az egyenetlen csapadékeloszlás súlyos természeti, gazdasági és mezőgazdasági károkat okoz.

Az aeroszol részecskék leginkább a felhők közvetítésével fejtik ki hűtő éghajlati hatásukat és befolyásolják
a víz globális körforgását (forrás: NASA).

Mostanáig úgy tűnt, hogy kénsav molekulára mindig szükség van az újrészecske-képződéshez. A CERN-ben elvégzett környezeti reakciókamra (CLOUD) kísérletek alapján fokozatosan bővítették az érintett kémiai anyagok körét, annak érdekében, hogy a légköri keletkezési és növekedési sebességeket magyarázni lehessen. A növényi eredetű VOC-k (pl. monoterpének) oxidációs termékeinek és a szerves aminoknak a szerepét bizonyították. A most azonosított és kidolgozott folyamat azonban egy teljesen új mechanizmus, amelyben a jódsav (HIO₃) és kapcsolódó vegyületei valósítják meg a nukleációt. A mechanizmus érdekessége, hogy egyetlen kémiai vegyületcsalád vesz részt benne, ami miatt a kinetikája gyors. Az új folyamatnak az Arktisz vidékén van komoly jelentősége, ahol szélsőségesen kevés a kénsav molekula a levegőben. Az így kialakult felhőknek ebben a különleges térségben ráadásul felerősödik a fűtő hatása az általános, hűtő effektussal szemben. Mindez előmozdíthatja a tengeri jégtakaró fokozódó olvadását, ami globális éghajlati problémákhoz vezet.

A CLOUD reakciókamra látképe a CERN-ben (forrás: M. Brice és J.M. Ordan, CERN).

A BpART Laboratórium kutatói 2018 tavaszán végeztek dedikált, online méréseket csúcsteljesítményű módszerekkel az elővegyületek térbeli eloszlásának meghatározása céljából. A kísérletek nemzetközi együttműködésben történtek NKFIH és GINOP projektek támogatásával. Az elért eredmények és következtetések hozzájárultak az új nukleációs mechanizmus értelmezéséhez és feltételrendszerének tisztázásához.

A nukleáció új főszereplőjének, a jódsavnak a koncentrációja a levegőben különböző típusú környezetekben.

Az ultrafinom (d<100 nm) aeroszol részecskék többlet egészségi kockázatot is jelentenek a hasonló kémiai összetételű, de nagyobb átmérőjű részecskékkel összehasonlítva. Ezért közvetlenül befolyásolhatják az emberi életminőséget. A laboratórium kutatómunkája ezt a területet is magába foglalja. A légköri nukleáció kiváltó okainak, folyamatának, valamint éghajlati, egészségi és környezeti hatásainak részletesebb megismerése több éves adatsorok alapján lehetséges. Ilyen eredmények fokozatosan válnak elérhetővé a kísérleti és a modellezési munka előrehaladtával. A BpART Laboratóriumban 10. éve zajlanak folyamatos nukleációs mérések és hozzájuk kapcsolódó számítások, amelyek az egyik leghosszabb, városi adatsort eredményezték a világon. Minél kiterjedtebb és komplexebb egy adatbázis, annál finomabb tulajdonságok statisztikai azonosítását és megbízhatóbb minősítését teszi lehetővé.

A BpART Laboratórium online mérőrendszerei az év minden napján éjjel-nappal működnek
az ELTE Lágymányosi Kampuszán.