DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-024-00752-9
تاريخ النشر: 2024-08-30
المؤلف: Fang Tan وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على السلوك الهيدروسكوبي للهباء الجوي، مع التأكيد على الدور الهام للأحماض العضوية القابلة للذوبان في الماء (WSOAs) في التأثير على آثار المناخ والآثار البيئية للجسيمات الجوية. تعتبر WSOAs، التي تشكل مكونًا كبيرًا من الهباء الجوي العضوي، تتفاعل مع الأملاح غير العضوية، مما يؤثر على النمو الهيدروسكوبي وسلوكيات الطور لجسيمات الهباء الجوي. يعتمد مدى هذه التأثيرات على عوامل مختلفة، بما في ذلك نسبة تركيب المكونات، وخصائص الأحماض، وحجم الجسيمات، والتفاعلات بين المكونات. من الجدير بالذكر أن WSOAs حاسمة في تحديد خصائص امتصاص الماء للهباء الجوي، خاصة عند مستويات الرطوبة النسبية المنخفضة إلى المتوسطة (RH).
تسلط المراجعة الضوء على النتائج السابقة المتعلقة بنقص الكلوريد، والنترات، والأمونيا في قطرات الهباء الجوي التي تحتوي على WSOAs والأملاح غير العضوية، مما يشير إلى أن هذه التفاعلات قد تؤثر على إعادة تدوير الغازات التفاعلية في الغلاف الجوي مثل HCl، HNO₃، وNH₃. إن الفهم الشامل للسلوك الهيدروسكوبي وكيمياء الهباء الجوي لأنظمة WSOA غير العضوية أمر ضروري لتحديد سلوكيات الهباء الجوي بدقة في النماذج الجوية. على الرغم من هذه الحاجة، لا يزال هناك فجوة في المعرفة بشأن الهيدروسكوبية والكيمياء ذات الصلة لهذه الأنظمة المختلطة داخليًا. تهدف المراجعة إلى تلخيص تأثيرات WSOAs على الهيدروسكوبية والتغيرات الطورية للأملاح غير العضوية ذات الصلة في جسيمات الهباء الجوي، خاصة في ظل الظروف غير المشبعة، مع معالجة التقدمات الأخيرة في كيمياء الهباء الجوي المتعلقة بهذه العمليات.
طرق
تحدد قسم الطرق في ورقة البحث الأساليب النمذجة المستخدمة لوصف النمو الهيدروسكوبي وتفعيل قطرات السحاب لجسيمات الهباء الجوي، بشكل أساسي من خلال نظرية كوهلر. تدمج النظرية تأثيرات راولت وكلفن، والتي يتم تمثيلها رياضيًا من خلال معادلة كوهلر، التي تربط الرطوبة النسبية (RH)، نشاط الماء ($a_w$)، توتر السطح ($\sigma_{s/a}$)، الكتلة المولية للماء ($M_w$)، درجة الحرارة ($T$)، كثافة الماء ($\rho_w$)، وقطر الجسيمات الرطبة ($D_p$). كما تستخدم الدراسة نظرية κ-Köhler، التي تقدم معلمة هيدروسكوبية واحدة ($\kappa$) لوصف الخصائص الهيدروسكوبية لجسيمات الهباء الجوي، المستمدة من قياسات عامل النمو تحت ظروف RH متغيرة.
بالإضافة إلى ذلك، يناقش القسم نهج زدانوسكي-ستوك-روبنسون (ZSR) لتقدير امتصاص الماء في أنظمة الهباء الجوي متعددة المكونات، مع التأكيد على فائدته على الرغم من افتراضه سلوك المكونات المستقلة. يتم التعبير عن عامل النمو الهيدروسكوبي العام للجسيمات المختلطة من خلال علاقة ZSR، وتسمح الطريقة بحساب معلمة الهيدروسكوبية العامة ($\kappa$) بناءً على مساهمات المكونات الفردية. تسلط الورقة أيضًا الضوء على استخدام النماذج الديناميكية الحرارية، مثل نموذج الهباء الجوي غير العضوي الممتد (E-AIM) ومجموعات الوظائف لمعاملات النشاط (AIOMFAC)، للتنبؤ بنشاط الماء، وحالات الطور، والتفاعلات في أنظمة الهباء الجوي الجوية، مما يعزز الفهم للسلوكيات المعقدة للهباء الجوي.
نقاش
في هذا القسم، تناقش الورقة منهجيات مختلفة لتوصيف الهيدروسكوبية لجسيمات الهباء الجوي، مع التركيز على تقنيات القياس وتأثير الأحماض العضوية القابلة للذوبان في الماء (WSOAs) والأملاح غير العضوية، وخاصة كبريتات الأمونيوم (AS). يبرز المؤلفون عدة طرق تجريبية، بما في ذلك مطيافية رامان، ومحللات الحركة التفاضلية الهيدروسكوبية (HTDMA)، والموازين الديناميكية الكهربائية (EDBs)، التي توفر رؤى حول محتوى الماء، وحالة الطور، وعوامل النمو (GFs) لجسيمات الهباء الجوي تحت ظروف رطوبة نسبية (RH) متغيرة. يُلاحظ أن HTDMA مميزة بشكل خاص لقدرتها على قياس الهيدروسكوبية للهباء الجوي دون الميكرون، بينما تُستخدم EDBs للجسيمات فوق الميكرون، مما يسمح بتحليل مفصل لسلوكيات امتصاص الماء والتحولات الطورية.
يتم فحص السلوك الهيدروسكوبي لمختلف WSOAs، مثل حمض الأكساليك، وحمض المالونيك، وحمض السكسينيك، مما يكشف أن هيدروسكوبتيها تتأثر بالذوبانية وحالة الطور. على سبيل المثال، لا يظهر حمض الأكساليك أي نمو هيدروسكوبي تحت 97% RH بسبب ذوبانيته المنخفضة، بينما يظهر حمض المالونيك امتصاصًا مستمرًا للماء دون تحولات واضحة للذوبان. كما يتم استكشاف التفاعلات بين WSOAs وAS، مع وجود نتائج تشير إلى أن وجود WSOAs يمكن أن يغير بشكل كبير الخصائص الهيدروسكوبية لهباء AS، إما عن طريق منع التبلور أو عن طريق تعديل سلوكيات الذوبان والتبلور. تستنتج الدراسة أن حالة الطور للأحماض العضوية وتفاعلاتها مع الأملاح غير العضوية تلعب دورًا حاسمًا في تحديد الهيدروسكوبية العامة ونشاط نوى تكثف السحاب (CCN) لجسيمات الهباء الجوي المختلطة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-024-00752-9
Publication Date: 2024-08-30
Author(s): Fang Tan et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
The section provides an overview of the hygroscopic behavior of aerosols, emphasizing the significant role of water-soluble organic acids (WSOAs) in influencing the climate effects and environmental impacts of atmospheric particulates. WSOAs, which are a substantial component of organic aerosols, interact with inorganic salts, affecting the hygroscopic growth and phase behaviors of aerosol particles. The extent of these effects is contingent upon various factors, including the composition ratio of the components, the properties of the acids, particle size, and the interactions among the components. Notably, WSOAs are critical in determining the water uptake characteristics of aerosols, particularly at low to moderate relative humidity (RH) levels.
The review highlights previous findings regarding the depletion of chloride, nitrate, and ammonium in aerosol droplets containing WSOAs and inorganic salts, suggesting that these interactions may influence the atmospheric recycling of reactive gases such as HCl, HNO₃, and NH₃. A comprehensive understanding of the hygroscopic behavior and aerosol chemistry of inorganic-WSOA systems is essential for accurately parameterizing aerosol behaviors in atmospheric models. Despite this need, there remains a gap in knowledge regarding the hygroscopicity and related chemistry of these internally mixed systems. The review aims to summarize the impacts of WSOAs on the hygroscopicity and phase changes of relevant inorganic salts in aerosol particles, particularly under subsaturated conditions, while also addressing recent advances in aerosol chemistry related to these processes.
Methods
The methods section of the research paper outlines the modeling approaches used to describe the hygroscopic growth and cloud droplet activation of aerosol particles, primarily through Köhler theory. The theory integrates the Raoult and Kelvin effects, represented mathematically by the Köhler equation, which relates relative humidity (RH), water activity ($a_w$), surface tension ($\sigma_{s/a}$), molar mass of water ($M_w$), temperature ($T$), density of water ($\rho_w$), and wet particle diameter ($D_p$). The study also employs the κ-Köhler theory, which introduces a single hygroscopicity parameter ($\kappa$) to characterize the hygroscopic properties of aerosol particles, derived from growth factor measurements under varying RH conditions.
Additionally, the section discusses the Zdanovskii-Stokes-Robinson (ZSR) approach for estimating water uptake in multicomponent aerosol systems, emphasizing its utility despite its assumption of independent component behavior. The overall hygroscopic growth factor for mixed particles is expressed through the ZSR relation, and the method allows for the calculation of the overall hygroscopicity parameter ($\kappa$) based on the contributions of individual components. The paper also highlights the use of thermodynamic models, such as the Extended Aerosol Inorganics Model (E-AIM) and the Aerosol Inorganic-Organic Mixtures Functional groups the Activity Coefficients (AIOMFAC), to predict water activity, phase states, and interactions in atmospheric aerosol systems, thereby enhancing the understanding of complex aerosol behaviors.
Discussion
In this section, the paper discusses various methodologies for characterizing the hygroscopicity of aerosol particles, focusing on measurement techniques and the influence of water-soluble organic acids (WSOAs) and inorganic salts, particularly ammonium sulfate (AS). The authors highlight several experimental approaches, including Raman spectroscopy, hygroscopicity tandem differential mobility analyzers (HTDMA), and electrodynamic balances (EDBs), which provide insights into the water content, phase state, and growth factors (GFs) of aerosol particles under varying relative humidity (RH) conditions. The HTDMA is particularly noted for its ability to measure submicron aerosol hygroscopicity, while EDBs are used for supermicron particles, allowing for detailed analysis of water uptake behaviors and phase transitions.
The hygroscopic behavior of various WSOAs, such as oxalic acid, malonic acid, and succinic acid, is examined, revealing that their hygroscopicity is influenced by solubility and phase state. For instance, oxalic acid shows no hygroscopic growth below 97% RH due to its low solubility, while malonic acid exhibits continuous water uptake without clear deliquescence transitions. The interactions between WSOAs and AS are also explored, with findings indicating that the presence of WSOAs can significantly alter the hygroscopic properties of AS aerosols, either by preventing crystallization or by modifying the deliquescence and efflorescence behaviors. The study concludes that the phase state of organic acids and their interactions with inorganic salts play a critical role in determining the overall hygroscopicity and cloud condensation nuclei (CCN) activity of mixed aerosol particles.