Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде впервые напрямую зафиксировали короткоживущую химическую реакцию, в ходе которой образуется ключевой компонент городского смога. Результаты работы, опубликованной в журнале Nature Communications, раскрывают самые ранние стадии формирования загрязнения воздуха и могут помочь усовершенствовать модели прогнозирования качества воздуха. Исследование выполнил химик и первый автор статьи Лэй Ян совместно с профессором химии UCR Цзинсуном Чжаном и несколькими аспирантами.
Специалисты наблюдали за короткоживущими молекулами — так называемыми промежуточными соединениями Криге, которые возникают при взаимодействии озона с изопреном, газом, выделяемым в больших объёмах деревьями и другими растениями. Эти высокореактивные молекулы участвуют в атмосферных химических процессах, влияющих на загрязнение воздуха и образование частиц, однако до сих пор учёные судили о них в основном по косвенным данным. Изопрен, хотя и малоизвестен широкой публике, относится к самым распространённым химическим соединениям, попадающим в атмосферу: растительность ежегодно выбрасывает сотни миллионов тонн этого газа, что делает её одним из крупнейших источников реактивных газов.
Сам по себе изопрен почти не представляет прямой опасности. Он принадлежит к семейству соединений под названием алкены, которые реагируют с озоном в атмосфере. В результате запускается цепочка химических реакций с образованием частиц — вторичных органических аэрозолей, формирующих значительную часть городской дымки, рассеивающих солнечный свет и способных проникать глубоко в лёгкие. Хотя большую часть мирового изопрена производят деревья, полученные данные не означают, что леса виновны в загрязнении воздуха. Они указывают на важность контроля приземного озона, который запускает эти реакции.
«Мы ничего не можем сделать с алкенами или изопреном из деревьев, — говорит Чжан. — Если вы хотите решить проблему качества воздуха, нужно снижать содержание озона в воздухе. Озон — главный движущий фактор. На практике это означает сокращение выбросов его химических предшественников, прежде всего оксидов азота и летучих органических соединений».
О том, что озон реагирует с изопреном и другими алкенами, учёным известно десятилетиями, но первые мгновения этой реакции оставались практически невидимыми. Процесс протекает за сотые доли секунды, порождая нестабильные молекулы — промежуточные соединения Криге, которые исчезают почти сразу после возникновения. Хотя их существование предсказал ещё 80 лет назад немецкий химик Рудольф Криге, эти частицы настолько недолговечны, что исчезают раньше, чем их успевают зафиксировать стандартными методами, и до сих пор ускользали от прямого наблюдения в реакциях озонирования. «Это как если бы природа подала нам блюдо, а мы должны были угадать, как оно приготовлено, — говорит Чжан. — Теперь у нас есть рецепт».
Чтобы поймать эти неуловимые молекулы, исследователи применили спектроскопию резонатора с затухающей волной — сверхчувствительный оптический метод, при котором свет проходит между зеркалами около 10 000 раз. Система не собирает молекулы для анализа, а наблюдает их прямо в месте образования, что позволяет обнаруживать соединения, существующие лишь мгновение и в крайне низких концентрациях. С помощью этого подхода команда зафиксировала промежуточные соединения Криге, возникающие при реакции изопрена с озоном, и проследила, как они появляются и исчезают со временем. Эти измерения дали возможность определить скорости реакций и проверить атмосферные реакционные сети на основе прямых наблюдений, а не только по стабильным продуктам, остающимся после завершения химического процесса.
Работа опирается на более раннее исследование той же лаборатории Чжана, также опубликованное в Nature Communications, в котором промежуточные соединения Криге были зафиксированы в более простых реакциях с участием меньших алкенов. Изопрен с его более сложной молекулярной структурой и центральной ролью в атмосферной химии оказался куда более трудной задачей и имеет более широкое экологическое значение. Более точные измерения этих ранних реакций способны улучшить атмосферные модели, используемые для прогнозирования случаев загрязнения и понимания того, как образуются мелкодисперсные частицы в разных условиях среды. Хотя эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях, исследователи отмечают, что они закладывают основу для изучения всё более сложных химических реакций, происходящих в реальной атмосфере. В дальнейшем команда планирует применить те же методы к пиренам — ещё одному крупному классу соединений, естественно выделяемых деревьями, чтобы лучше понять, как они реагируют с озоном и влияют на загрязнение воздуха. «Восемь десятилетий учёные могли лишь догадываться, что происходило в первое мгновение этих реакций, — говорит Чжан. — Теперь мы можем наблюдать их в реальном времени. Это даёт нам наиболее полную картину того, как озон превращает природные выбросы в соединения, формирующие нашу атмосферу».