Изменение климата: до геоинженерии, немного фундаментальной химии


Возникает соблазнительная мысль: с изменением климата, которым так трудно управлять, и страны, не желающие принимать решительные меры, что, если бы мы могли смягчить его последствия, установив своего рода химический зонтик – слой серной кислоты в верхних слоях атмосферы, который мог бы отражать солнечное излучение и охлаждение Земли?

Согласно новому исследованию в Журнал Американского химического обществаВ результате сотрудничества ученых из Пенсильвании и двух групп в Испании атмосферные условия в стратосфере создают проблему для производства серной кислоты, делая ее производство менее эффективным, чем можно было ожидать ранее. Таким образом, по словам исследователей, для того, чтобы уверенно продвигаться вперед с этой стратегией климатической геоинженерии, требуется дополнительная работа по изучению химического состава серной кислоты и ее строительных блоков в верхних слоях атмосферы.

«Эти фундаментальные открытия подчеркивают важность понимания фотохимии, задействованной в геоинженерии», – говорит Джозеф С. Франциско, атмосферный химик из Школы искусств и наук Пенна и соавтор исследования. «Это критически важно, и это то, что было проигнорировано».

Использование серной кислоты для притупления солнечных лучей в качестве средства сдерживания воздействий основано на природном явлении: при извержении вулканов выделяемая ими сера создает локальные – а иногда даже далеко идущие – охлаждающие облака, которые фильтруют солнце. Но эти появляются в тропосфере, которая простирается от поверхности Земли до 10 километров вверх. Геоинженерия с использованием серной кислоты могла бы произойти намного выше, в стратосфере, примерно от 10 до 20 километров над планетой.


Условия меняются с увеличением высоты. Примечательно, что воздух становится суше, а энергия солнечных лучей становится сильнее. В новой работе Франциско, его постдок Тарек Трабелси и коллеги из испанского Института физической химии Рокасолано и Университета Валенсии объединились, чтобы изучить, как эти переменные влияют на химические реакции, участвующие в производстве серной кислоты.

Основными источниками поступления являются диоксид серы (SO2), который реагирует с гидроксильными радикалами (ОН), своего рода атмосферным «детергентом», создавая HOSO2. HOSO2 реагирует с кислородом с образованием триоксида серы (SO3), который затем вступает в реакцию с водяным паром с образованием серной кислоты. Аэрозоли, образованные из серной кислоты, обладают способностью отражать солнечный свет.

Эти реакции хорошо охарактеризованы; вместе они ответственны за создание кислотных дождей в тропосфере. Но будет ли эта химия работать в стратосфере и достичь такой же эффективности, было неизвестно.

Чтобы выяснить это, команда использовала квантовую химию – подход, который рассматривает основное, переходное и возбужденное состояния атомов и молекул – чтобы понять, как HOSO2 так что3 будет вести себя в стратосфере в условиях высокой освещенности и низкой влажности. Хотя геоинженерные подходы учитывают способность этих двух молекул отражать солнечный свет, исследователи обнаружили, что когда HOSO2 Вырабатывается в стратосфере, солнечное излучение вызывает быстрый фотолиз молекулы, по существу распадаясь на ее составные части, включая диоксид серы, который в высоких концентрациях вреден для человека.

«Одно из следствий этого открытия состоит в том, что если вы поместите туда диоксид серы, он будет просто переработан», – говорит Франциско. «Таким образом, это открывает дверь к тому, есть ли у нас полное представление о химии серы в атмосфере в стратосфере».