В густонаселенных городских центрах высокие концентрации твердых частиц вызывают серьезные последствия для здоровья. Особенно в зимние месяцы ситуация во многих азиатских мегаполисах драматична, когда смог значительно снижает видимость и становится трудно дышать.
Твердые частицы диаметром менее 2.5 микрометров, в основном образуются непосредственно в процессе сгорания, например, в автомобилях или обогревателях. Они называются первичными твердыми частицами. Твердые частицы также образуются в воздухе в виде вторичных твердых частиц, когда газы из органических веществ, серной кислоты, азотной кислоты или аммиака, конденсируются на крошечных наночастицах. Они превращаются в частицы, которые составляют часть твердых частиц.
До сих пор оставалось загадкой, как вторичные частицы могут образовываться на узких улочках мегаполисов. Согласно расчетам, крошечные наночастицы должны накапливаться на широко доступных более крупных частицах, а не образовывать новые частицы.
Ученые международного исследовательского проекта CLOUD воссоздали условия, преобладающие на улицах мегаполисов в климатической камере ускорителя частиц CERN в Женеве, и реконструировали образование вторичных частиц: на узких и закрытых улицах города. , происходит локальное увеличение количества загрязняющих веществ. Причина неравномерного распределения загрязняющих веществ частично связана с высокими выбросами загрязняющих веществ на уровне улиц. Кроме того, требуется некоторое время, чтобы уличный воздух смешался с окружающим воздухом.
Это приводит к тому, что два загрязняющих вещества – аммиак и азотная кислота – временно концентрируются в уличном воздухе. Как показывают эксперименты в облаке, такая высокая концентрация создает условия, в которых два загрязнителя могут конденсироваться на наночастицах: нитрат аммония образуется на ядрах конденсации размером всего несколько нанометров, вызывая быстрый рост этих частиц.
«Мы заметили, что эти наночастицы быстро растут всего за несколько минут. Некоторые из них растут в сто раз быстрее, чем мы когда-либо видели с другими загрязнителями, такими как серная кислота », – объясняет исследователь климата профессор Иоахим Куртиус из Университета Гете во Франкфурте. "Таким образом, в густонаселенных городских центрах наблюдаемый нами процесс вносит важный вклад в образование твердых частиц в зимнем смоге, поскольку этот процесс происходит только при температуре ниже 5 градусов Цельсия.Физик аэрозолей Пол Винклер из Венского университета добавляет: «Когда условия более теплые, частицы становятся слишком летучими, чтобы способствовать росту."
Образование аэрозольных частиц из аммиака и азотной кислоты, вероятно, происходит не только в городах и многолюдных районах, но иногда и на больших высотах над уровнем моря. Аммиак, который в основном выбрасывается в результате животноводства и другого сельского хозяйства, попадает в верхние слои тропосферы из воздушных частиц, поднимающихся от земли за счет глубокой конвекции, а молния создает азотную кислоту из азота в воздухе. «При преобладающих низких температурах здесь образуются новые частицы нитрата аммония, которые, как семена конденсации, играют роль в образовании облаков», – объясняет ионный физик Армин Хансель из Университета Инсбрука, указывая на актуальность результатов исследований для климата.
Эксперимент CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) в ЦЕРН изучает, как новые аэрозольные частицы образуются в атмосфере из газов-прекурсоров и продолжают расти в семена конденсации.
Таким образом, CLOUD обеспечивает фундаментальное понимание образования облаков и твердых частиц. CLOUD осуществляется международным консорциумом, состоящим из 21 учреждения.
Измерительная камера CLOUD была разработана с использованием ноу-хау CERN и обеспечивает очень точно определенные условия измерения. В экспериментах с облаками используются различные измерительные приборы для определения физических и химических условий атмосферы, состоящей из частиц и газов. В проекте CLOUD команда под руководством Иоахима Курциуса из Института атмосферы и окружающей среды Франкфуртского университета Гете разрабатывает и эксплуатирует два масс-спектрометра для обнаружения следовых газов, таких как аммиак и серная кислота, даже при самых малых концентрациях в рамках проектов, финансируемых BMBF и ЕС.
На физическом факультете Венского университета команда под руководством Пола Винклера разрабатывает новое устройство для измерения частиц в рамках проекта ERC. Устройство позволит количественно исследовать динамику аэрозолей, в частности, в соответствующем диапазоне размеров от 1 до 10 нанометров.
Армин Хансель из Института ионной физики и прикладной физики Университета Инсбрука разработал новую процедуру измерения (PTR3-TOF-MS), чтобы сделать возможным еще более чувствительный анализ газовых примесей в эксперименте CLOUD с его исследовательской группой в рамках FFG проект.