Una nueva química surge cuando el polvo se encuentra con la contaminación

Representación de eventos de contaminación donde se mezclan polvo mineral y humo de combustión de biomasa. Crédito:Hind Al-Abadleh

Es una nueva química que se encuentra en una gota de nube, un aerosol húmedo o en la superficie de una partícula de polvo. Todo lo que se necesita para comenzar son eventos naturales como tormentas de polvo, acción de las olas del océano, erupciones volcánicas e incendios forestales, que aumentan la cantidad de aerosoles en la atmósfera.

El efecto de los aerosoles en el clima puede rivalizar con el calentamiento del CO₂ pero depende de la composición química. Por lo tanto, medir el tamaño y el "color" de los aerosoles y cómo cambian con el tiempo ayuda a los científicos a evaluar su efecto climático. Estas propiedades cambian porque los aerosoles proporcionan superficies para la absorción de agua y las reacciones químicas. Además, los aerosoles influyen en la formación y la vida útil de las nubes y, dependiendo de la altura de las nubes, podrían causar calentamiento o enfriamiento.

Debido a sus diversas fuentes, los aerosoles atmosféricos son químicamente complejos. Contienen sales, compuestos orgánicos y metales de transición. Este último se origina a partir de polvo mineral, y el hierro es el metal de transición más ubicuo en estas partículas.

Las columnas de polvo mineral en la atmósfera se mezclan con el humo de la quema de biomasa durante el transporte de largo alcance después de los eventos de contaminación. Parte del carbono orgánico en el humo de la quema de biomasa es propenso a la oxidación y la formación de complejos con hierro. Sin embargo, la eficiencia y la naturaleza de los productos de estas reacciones que tienen lugar en condiciones simuladas de aerosoles y nubes siguen siendo preguntas de investigación abiertas.

En una publicación reciente en Communications Chemistry , una colaboración internacional dirigida por Hind Al-Abadleh de la Universidad Wilfrid Laurier, Marcelo Guzman de la Universidad de Kentucky y Akua Asa-Awuku de la Universidad de Maryland se centró en estudiar reacciones en gran parte inexploradas de hierro con aminofenoles. La investigación examinó cuidadosamente el papel de los aminofenoles en la formación de carbono orgánico coloreado que contiene nitrógeno.

Los aminofenoles son ejemplos de carbono orgánico que contiene nitrógeno, una clase importante de carbono marrón cuya contribución al forzamiento climático y las interacciones aerosol-nube sigue siendo una gran fuente de incertidumbre en los modelos climáticos debido a su complejidad química y fuentes variables. Estas aminas aromáticas se han detectado en la fase gaseosa y en partículas ultrafinas de emisiones industriales y de la reducción de nitrobencenos y nitrofenoles de la quema de biomasa.

La actividad de los núcleos de condensación de nubes de los oligómeros de la reacción de ortoaminofenol (oAP)+Fe(III) (círculos rojos), reacción de paraaminofenol (pAP)+Fe(III) (cuadrados azules) y levoglucosano (triángulos verdes). a El crecimiento del diámetro húmedo frente al diámetro seco inicial de las partículas expuestas a un entorno subsaturado (85 % de HR) a partir de la medición de H-TDMA. También se informa el Gf promedio para cada material. Las líneas discontinuas grises muestran los valores teóricos de κ-Köhler. b El diámetro crítico promedio frente a la sobresaturación de la medición CCNC (símbolos cerrados). Las líneas discontinuas grises muestran los valores teóricos de κ-Köhler. Una disminución en el tamaño del diámetro crítico a una sobresaturación constante indica un aumento en la actividad de gotas y CCN. c Resumen del parámetro de higroscopicidad de la teoría de Köhler, κ, adquirido a partir de mediciones CCNC (símbolos cerrados) y H-TDMA (símbolos abiertos). Cada punto representa un promedio de 10 puntos. Las barras de error muestran la desviación estándar. Crédito:Química de las comunicaciones (2022). DOI:10.1038/s42004-022-00732-1

Los nuevos resultados en esta publicación muestran una formación notablemente eficiente de productos solubles en agua y similares al hollín de color marrón oscuro a negro en condiciones atmosféricamente relevantes.

Estos productos son oligómeros que contienen de 2 a 4 anillos de benceno con sustituyentes de nitrógeno e hidroxilo de la oxidación abiótica de los aminofenoles catalizada por hierro. Las reacciones se exploraron en sistemas homogéneos (es decir, fase acuosa) y heterogéneos (es decir, interfaz líquido/sólido) usando polvo de prueba de Arizona. Se encontró que la higroscopicidad de los productos de reacción es más alta que la del levoglucosano, un indicador importante del aerosol orgánico que quema biomasa. También se informó el oscurecimiento progresivo del polvo de prueba de Arizona con el tiempo de reacción, con cambios claros en las propiedades ópticas, la morfología, el estado de mezcla y la composición química.

La química catalizada por metales es una rama poco conocida de las ciencias atmosféricas a pesar de la presencia generalizada de hierro y otros metales de transición en partículas, en gotas de nubes y niebla, y en superficies naturales y artificiales expuestas al aire. El estudio destaca vías pasadas por alto que conducen a las transformaciones de aminas aromáticas atmosféricas en sistemas de polvo que contienen hierro.

Estas transformaciones afectan las eficiencias de nucleación de condensación de nubes de partículas de aerosol multicomponente y cambian las propiedades fisicoquímicas de los aerosoles. Estas vías potencialmente importantes no se tienen en cuenta actualmente en los modelos de química climática y atmosférica y, por lo tanto, nuestros resultados ayudarán a llenar el vacío en nuestra comprensión de la química del hierro en aerosoles con diversos grados de procesamiento atmosférico. + Explora más