DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-6825-2026
تاريخ النشر: 2026-05-20
المؤلف: Benjamin Weyland وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تدرس الدراسة التحلل الضوئي لحمض النيتروز (HONO)، وهو مصدر مهم للجذور الهيدروكسيلية (OH) في الغلاف الجوي، من خلال قياسات الاستشعار عن بعد الجوية التي أجريت باستخدام أداة mini-DOAS عبر مناطق مختلفة، بما في ذلك أوروبا القارية وجنوب شرق آسيا والأطلسي الاستوائي. تكشف النتائج أن تركيزات HONO المرصودة تتجاوز بشكل كبير توقعات النماذج، حيث تصل نسب الخلط الحجمية القصوى إلى حوالي 150 ppt في طبقة الحدود الكوكبية (PBL) وحتى 100 ppt في الطبقة العليا من التروبوسفير (UT). تشير الأبحاث إلى أنه بينما قد يُعزى التحلل الضوئي للنترات الجزيئية إلى فائض HONO في طبقة الحدود البحرية، فإن مصدرًا في طور الغاز ضروري لشرح مستويات HONO المرتفعة في UT، مما قد ينطوي على تفاعلات مع حمض البيروكسينيتروز (HOONO).
تسلط الاستنتاجات الضوء على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في آليات تكوين HONO، حيث تحدد الدراسة مصادر محتملة متعددة قد تختلف مع الارتفاع والظروف البيئية. تؤكد مستويات HONO المرصودة، التي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على ميزانية الهيدروكسيل في الغلاف الجوي وقدرة الأكسدة في التروبوسفير، على أهمية فهم هذه الآليات لتقييمات تغير المناخ وجودة الهواء. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على قياسات شاملة للأنواع والبارامترات الجوية ذات الصلة لتوضيح التعقيدات المحيطة بإنتاج HONO وآثاره على الكيمياء الجوية وصحة الإنسان.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة أهمية حمض النيتروز (HONO) في الكيمياء الجوية، وخاصة دوره في تكوين الجذور الهيدروكسيلية (OH) وقدرته على إعادة تدوير النيتروجين التفاعلي. منذ اكتشافه الأول في الغلاف الجوي، تم مناقشة مصادر ومصارف HONO، حيث تشير الدراسات إلى أن إنتاج OH من التحلل الضوئي لـ HONO قد يتجاوز ذلك الناتج عن تفاعل O(¹D) مع H₂O، خاصة في ساعات الصباح. ومع ذلك، فإن التفاعلات التقليدية في طور الغاز (التفاعلات R1 و R2 و R3) تفشل في حساب نسب الخلط الحجمية العالية المرصودة (VMR) وقوة المصادر لـ HONO، مما يشير إلى الحاجة إلى آليات إضافية، خاصة التفاعلات غير المتجانسة التي تشمل أكاسيد النيتروجين (NOₓ) على الأسطح والهباء الجوي.
تسلط الورقة الضوء على أنه بينما ركزت معظم الدراسات السابقة على قياسات HONO القريبة من السطح، هناك نقص في الأبحاث حول مصادر HONO في الطبقة العليا من التروبوسفير، حيث يمكن استبعاد العمليات على مستوى الأرض. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال الإبلاغ عن قياسات جوية لـ HONO وسابقتها عبر ارتفاعات ومناطق مختلفة، تحديدًا في أوروبا وشرق آسيا والأطلسي الاستوائي. باستخدام أداة طيف الامتصاص الضوئي التفاضلي (DOAS) على متن طائرة HALO، تسعى الأبحاث إلى التوفيق بين مستويات HONO المرصودة وآليات التكوين المحتملة في الموقع، مع مراعاة الظروف الجوية والغازات النادرة الأخرى. من المتوقع أن تعزز النتائج من فهم ديناميات HONO في التروبوسفير، مما يساهم في المعرفة الأوسع بالكيمياء الضوئية الجوية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع القياسات باستخدام أدوات مختلفة مثبتة على طائرة HALO، مع تسليط الضوء بشكل خاص على أداة الاستشعار عن بعد mini-DOAS إلى جانب عدة أدوات في الموقع. تم تكملة هذه القياسات بمحاكاة من نماذج EMAC و MECO(n)، التي تم استخدامها للتحليل المقارن وتفسير البيانات المجمعة. تهدف هذه الطريقة المنهجية إلى تعزيز فهم العمليات الجوية من خلال الجمع بين الملاحظة المباشرة والرؤى المستندة إلى النماذج.
النتائج
تشير النتائج من مهمتي EMeRGe و CAFE-Africa إلى أن نسب الخلط الحجمية المسترجعة (VMRs) للغازات النادرة، وخاصة ثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) والفورمالديهايد (HCHO)، تتماشى بشكل وثيق مع محاكاة النماذج، كما هو موضح في الأشكال A1 و A2 في الملحق. ومع ذلك، غالبًا ما تتجاوز قياسات حمض النيتروز (HONO) توقعات النماذج، مما يتطلب مزيدًا من التحقيق في الأسباب الكامنة وراء هذا التباين.
لمعالجة فائض HONO المرصود، تستكشف الدراسة كل من المصادر غير المتجانسة والمتجانسة عبر ثلاثة أنظمة تروبوسفيرية متميزة: طبقة الحدود البحرية (MBL)، الطبقة السفلى من التروبوسفير، والطبقة العليا من التروبوسفير، كما هو مفصل في الأقسام 4.2 و 4.3 و 4.4، على التوالي. قبل هذا التحليل، تتم مقارنة مستويات HONO المقاسة مع الملاحظات الجوية المنشورة سابقًا، كما هو موضح في الشكل 5، لوضع النتائج في سياقها وتسليط الضوء على الحاجة إلى فهم أعمق لديناميات HONO في الغلاف الجوي.
المناقشة
تلتقط أداة mini-DOAS، المستخدمة في مهمات جوية مختلفة، الضوء المنتشر عبر الأطوال الموجية من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، مع التركيز على الملاحظات الطرفية لتحليل الغازات النادرة مثل NO₂ و HCHO و HONO. تؤكد الدراسة على تحليل DOAS ونمذجة النقل الإشعاعي اللازمة لتفسير البيانات، خاصة خلال مهمتي EMeRGe و CAFE-Africa اللتين أجريتا في عامي 2017 و 2018. يتم إجراء استرجاع HONO في نطاق UV-A، مع الإشارة إلى أن تضمين مصطلحات تايلور لامتصاص NO₂ له تأثير ضئيل على كثافات الأعمدة المائلة التفاضلية لـ HONO (dSCDs). كما تسلط الدراسة الضوء على استخدام طريقة التحجيم لتحويل dSCDs إلى نسب خلط حجمية (VMRs)، والتي تتأثر بمختلف المعلمات الجوية والملفات الأولية من نماذج مثل EMAC و MECO(n).
تكشف النتائج عن نسب HONO VMR العالية باستمرار في طبقة الحدود الكوكبية (PBL) والتروبوسفير الحر (FT)، وغالبًا ما تتجاوز توقعات النماذج بفجوات كبيرة. على سبيل المثال، خلال مهمات EMeRGe، وصلت HONO VMRs إلى 150 ppt، بينما في مهمة CAFE-Africa، تجاوزت القيم 100 ppt في الطبقة العليا من التروبوسفير. تشير هذه القياسات إلى أن تركيزات HONO أعلى من المتوقع بناءً على آليات التكوين المعروفة، مما يشير إلى وجود مصادر أو عمليات غير محسوبة في الغلاف الجوي. تؤكد الدراسة على أهمية دمج الأدوات التكميلية والنماذج الجوية لوضع قياسات mini-DOAS في سياقها، مما يكشف عن التباينات بين مستويات HONO المرصودة والمودلة التي تتطلب مزيدًا من التحقيق في ديناميات الكيمياء الجوية.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-6825-2026
Publication Date: 2026-05-20
Author(s): Benjamin Weyland et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
The study investigates the photolysis of nitrous acid (HONO), a significant source of hydroxyl radicals (OH) in the troposphere, through airborne remote sensing measurements conducted with the mini-DOAS instrument across various regions, including continental Europe, Southeast Asia, and the tropical Atlantic. The findings reveal that observed HONO concentrations significantly exceed model predictions, with maximum volume mixing ratios reaching approximately 150 ppt in the planetary boundary layer (PBL) and up to 100 ppt in the upper troposphere (UT). The research suggests that while the photolysis of particulate nitrate may account for excess HONO in the marine boundary layer, a gas-phase source is necessary to explain the elevated HONO levels in the UT, potentially involving reactions with peroxynitrous acid (HOONO).
The conclusions highlight the need for further investigation into HONO formation mechanisms, as the study identifies multiple potential sources that may vary with altitude and environmental conditions. The observed HONO levels, which can significantly influence the atmospheric hydroxyl budget and the oxidation capacity of the troposphere, underscore the importance of understanding these mechanisms for climate change and air quality assessments. Future research should focus on comprehensive measurements of relevant atmospheric species and parameters to elucidate the complexities surrounding HONO production and its implications for atmospheric chemistry and human health.
Introduction
The introduction of the paper discusses the significance of nitrous acid (HONO) in atmospheric chemistry, particularly its role in the formation of hydroxyl radicals (OH) and its ability to recycle reactive nitrogen. Since its initial discovery in the atmosphere, the sources and sinks of HONO have been debated, with studies indicating that the production of OH from HONO photolysis may exceed that from the reaction of O(¹D) with H₂O, especially in the morning hours. However, traditional gas-phase reactions (Reactions R1, R2, and R3) fail to account for the observed high volume mixing ratios (VMR) and source strengths of HONO, suggesting the need for additional mechanisms, particularly heterogeneous reactions involving nitrogen oxides (NOₓ) on surfaces and aerosols.
The paper highlights that while most previous studies focused on near-surface HONO measurements, there is a lack of research on HONO sources in the upper troposphere, where ground-level processes can be excluded. This study aims to fill that gap by reporting airborne measurements of HONO and its precursors across various altitudes and regions, specifically in Europe, East Asia, and the tropical Atlantic. Utilizing a differential optical absorption spectroscopy (DOAS) instrument aboard the HALO aircraft, the research seeks to reconcile observed HONO levels with potential in-situ formation mechanisms, while also considering atmospheric conditions and other trace gases. The findings are expected to enhance the understanding of HONO dynamics in the troposphere, contributing to the broader knowledge of atmospheric photochemistry.
Methods
In this study, measurements were collected using various instruments mounted on the HALO aircraft, specifically highlighting the remote sensing mini-DOAS instrument alongside several in situ instruments. These measurements were complemented by simulations from the EMAC and MECO(n) models, which were employed for comparative analysis and interpretation of the collected data. This methodological approach aims to enhance the understanding of atmospheric processes through a combination of direct observation and model-based insights.
Results
The results from the EMeRGe and CAFE-Africa missions indicate that the retrieved volume mixing ratios (VMRs) of trace gases, specifically nitrogen dioxide (NO₂) and formaldehyde (HCHO), align closely with model simulations, as illustrated in Figures A1 and A2 in the appendix. However, the measurements of nitrous acid (HONO) frequently exceed model predictions, necessitating further investigation into the underlying causes of this discrepancy.
To address the observed excess of HONO, the study explores both heterogeneous and homogeneous sources across three distinct tropospheric regimes: the marine boundary layer (MBL), lower troposphere, and upper troposphere, detailed in Sections 4.2, 4.3, and 4.4, respectively. Prior to this analysis, the measured HONO levels are compared with previously published atmospheric observations, as shown in Figure 5, to contextualize the findings and highlight the need for a deeper understanding of HONO dynamics in the atmosphere.
Discussion
The mini-DOAS instrument, utilized in various airborne missions, captures scattered skylight across ultraviolet to near-infrared wavelengths, focusing on limb observations to analyze trace gases such as NO₂, HCHO, and HONO. The study emphasizes the DOAS analysis and radiative transfer modeling necessary for interpreting the data, particularly during the EMeRGe and CAFE-Africa missions conducted in 2017 and 2018. HONO retrievals are performed in the UV-A range, with findings indicating that the inclusion of Taylor terms for NO₂ absorption has a minimal impact on HONO differential slant column densities (dSCDs). The study also highlights the use of a scaling method to convert dSCDs into volume mixing ratios (VMRs), which is influenced by various atmospheric parameters and a priori profiles from models like EMAC and MECO(n).
The results reveal consistently high HONO VMRs in the planetary boundary layer (PBL) and free troposphere (FT), often exceeding model predictions by significant margins. For instance, during the EMeRGe missions, HONO VMRs reached up to 150 ppt, while in the CAFE-Africa mission, values exceeded 100 ppt in the upper troposphere. These measurements suggest that HONO concentrations are higher than expected based on known formation mechanisms, indicating potential unaccounted sources or processes in the atmosphere. The study underscores the importance of integrating complementary instruments and atmospheric models to contextualize the mini-DOAS measurements, revealing discrepancies between observed and modeled HONO levels that warrant further investigation into atmospheric chemistry dynamics.