Понимание того, как именно протекают эти реакции, имеет решающее значение для предсказания того, как атмосфера будет реагировать на изменения окружающей среды, но некоторые этапы этого танца настолько быстры, что все задействованные молекулы не были измерены в дикой природе.Команда Университета Пенсильвании наблюдала одну из этих быстрых атмосферных реакций в лаборатории. Они идентифицируют важную промежуточную молекулу и отслеживают ее превращение в гидроксильные радикалы, также демонстрируя количество энергии, необходимое для протекания реакции.
Их результаты помогают объяснить, как атмосфера поддерживает свои резервы гидроксильных радикалов, высокореактивных молекул, которые называются «детергентом атмосферы».Исследование провела Марша Лестер, профессор химии Школы искусств Пенна.
Наук, вместе с сотрудниками ее лаборатории: аспирантом Фанг Лю и докторантом Джозефом Бимсом. Они сотрудничали с Эндрю Пети, также докторантом кафедры химии, и Энн Маккой, профессором химии в Государственном университете Огайо.Их работа была опубликована в Science.
Гидроксильные радикалы состоят из атома водорода, связанного с атомом кислорода. Они обладают высокой реакционной способностью, легко крадут атомы водорода у других молекул для образования воды. Многие обычные загрязнители и парниковые газы, такие как метан и более сложные углеводороды, изначально разрушаются этими радикалами.«Гидроксильные радикалы называют моющими средствами атмосферы, потому что они разрушают большинство загрязняющих веществ, которые попадают в воздух», — сказал Лестер. «Поскольку они настолько реактивны, возникает вопрос:« Как же так, что его так много в атмосфере? » Они все время реагируют, поэтому их нужно постоянно пополнять ».
Солнце отвечает за большинство гидроксильных радикалов в воздухе в дневное время. Солнечный свет обладает достаточной энергией для разрушения озона, высвобождая атомы кислорода, которые вступают в реакцию с водяным паром с образованием гидроксильных радикалов. Однако другой важный источник этих молекул не требует солнечного света.
Этот менее изученный процесс, исследованный командой Лестера, является основным источником гидроксильных радикалов в ночное время и играет большую роль в атмосфере зимой.В 1949 году немецкий химик Рудольф Криги выдвинул гипотезу о том, что алкены, класс химических веществ с двойными углеродными связями, расщепляются в реакции с озоном на промежуточные молекулы, которые были еще более реактивными и короткоживущими, так что их невозможно было обнаружить до тех пор, пока совсем недавно. Эти промежуточные молекулы теперь известны как «промежуточные продукты Криджи».
Команда Лестера теперь первая, кто отслеживает промежуточное соединение Криджи через реакцию, которая приводит к гидроксильному радикалу, используя метод, известный как инфракрасная спектроскопия.«Мы использовали лазер для создания« отпечатка пальца »этой промежуточной молекулы на основе длин волн света, который она поглощает», — сказал Лестер. «Лазер также поставляет энергию, необходимую для запуска реакции, которая обеспечивается за счет тепла в атмосферных условиях».«В конце концов, — сказал Бимс, — мы также обнаружили гидроксильные радикалы, поэтому мы первые, кто действительно показал, что гидроксильные радикалы образуются непосредственно из промежуточного продукта Криджи».
«Мы видим, что атом водорода с одного конца промежуточной молекулы переходит и связывается с атомом кислорода с другой стороны», — сказал Лю. «Затем молекула распадается, в результате чего образуется гидроксильный радикал».Команда считает, что новое понимание количества энергии, необходимой для запуска этой реакции переноса водорода, будет иметь значение для многих реакций образования гидроксильных радикалов, в которых участвуют промежуточные соединения Криджи.«Если вы пересекаете гору — энергия, необходимая для того, чтобы вызвать реакцию — есть определенные пути, по которым есть смысл идти», — сказал Пети. «Мы изучаем простейшие молекулы этого класса, поэтому думаем, что этот путь будет иметь отношение к другим в серии».
Более полная картина того, как гидроксильные радикалы производятся от часа к часу и от сезона к сезону, будет способствовать разработке более точных моделей атмосферы. Производство гидроксильных радикалов по этому пути также может варьироваться географически, поскольку предшественники реакции — алкены — более легко обнаруживаются над городскими и лесными районами.
«Невозможно измерить все, — сказал Лестер, — поэтому нам нужны хорошие модели, чтобы предсказать, как атмосфера будет реагировать на изменения в окружающей среде, будь то изменения температуры, уровня озона или присутствия нефтехимических продуктов».