Ciencias Atmosféricas | La acidez de las partículas atmosféricas y las nubes.

Muchos de nosotros aprendimos sobre la acidez o el pH en la química de la escuela secundaria. Aprendimos que los ácidos como el HCl podían disociarse en H+ y Cl- y la actividad de esos iones H+ definía la acidez. En la atmósfera, la misma definición básica de acidez, o pH en la escala de molalidad, se aplica a las fases acuosas como partículas suspendidas y gotas de nubes. La acidez atmosférica regula qué reacciones cinéticas son favorables, así como la partición de especies semivolátiles con implicaciones para el clima y la salud humana.

A diferencia del laboratorio de química de la escuela secundaria, las mediciones de pH son un desafío para las nubes y las partículas, y las predicciones del modelo históricamente se han visto limitadas por la disponibilidad de las mediciones. Debido a la importancia del pH y el rápido crecimiento de la literatura sobre el tema, un equipo de investigadores de 7 países y 8 estados de EE. UU. trabajó desde el verano de 2018 hasta principios de 2020 para revisar y sintetizar el estado actual del conocimiento sobre la acidez de las fases atmosféricas condensadas. La revisión fue un esfuerzo de equipo conmigo y Athanasios Nenes diseñando el alcance general del proyecto y Juan caminante, jim kelly, andreas zuend, chris hennigan, Atanasio Nenes, faye mcneill, Raúl Zaveri, María Kanakidou, jeff collety a mí secciones principales. Otros coautores contribuyeron con figuras, texto y cálculos de modelos. El manuscrito resultante, resaltado en Química y Física Atmosférica (Pye et al., 2020), incluye una discusión completa sobre la acidez de las partículas atmosféricas y las nubes. Aquí, se destacan tres características únicas de las partículas y las gotas de las nubes, que influyen en la forma en que nosotros, como comunidad, determinamos el pH.

1. Pequeños volúmenes de agua. La cantidad de agua en las fases atmosféricas condensadas está en equilibrio con la humedad ambiental y es extremadamente pequeña en comparación con un entorno de laboratorio tradicional. El contenido de agua líquida en partículas finas (LWC) en 1 metro cúbico de aire normalmente varía de 1 a 10s de µL (p. ej., en el este de EE. UU.) a 100s de µL en condiciones contaminadas. La nube LWC es más abundante (donde existen nubes) y puede ser de 1 ml por m³ (Herrmann et al., 2015). A nivel de partículas y gotas individuales, LWC es aún más pequeño y generalmente prohíbe la medición de rutina. Sin embargo, para el agua de nube, la recolección a granel produce suficiente muestra lo suficientemente diluida para permitir mediciones de pH confiables.

2. Condiciones concentradas. Las partículas finas son soluciones extremadamente concentradas que consisten en especies inorgánicas como sulfato, nitrato, amonio y cloruro, así como agua y compuestos orgánicos. Incluso si se recolectara suficiente LWC de partículas para la medición, cualquier técnica de medición tendría que calibrarse para la fuerza iónica muy alta. Como resultado, la forma principal en que se determina el pH de las partículas finas es utilizando modelos termodinámicos que dan cuenta de las desviaciones en la idealidad. Con pocas excepciones, todos los valores de pH de partículas finas para la atmósfera se han creado con modelos termodinámicos.

3. Comportamiento de los gases semivolátiles. En un vaso de laboratorio tradicional, se espera que los ácidos atmosféricos comunes, como el ácido nítrico, se encuentren predominantemente en la fase de agua líquida. En la atmósfera, muchos ácidos se reparten activamente entre la fase gaseosa y la de partículas. A un pH muy bajo (generalmente por debajo de 2), el ácido nítrico se encuentra casi exclusivamente en la fase gaseosa, pero puede dividirse apreciablemente en las partículas si aumenta el pH. Por el contrario, el amoníaco se reparte en la partícula en condiciones de pH bajo y se volatiliza en mayor grado en entornos de pH más alto. Como resultado, muchos ácidos y bases se comportan como semivolátiles cuando interactúan con partículas finas (ver también el trabajo de Zheng et al., 2020).

Los pequeños volúmenes de agua, las condiciones concentradas y la naturaleza semivolátil de los ácidos y las bases son factores importantes que determinan los valores de pH atmosférico y cómo los determinamos como comunidad. El pH afecta la eficiencia con la que las especies químicas se depositan en las superficies y la vida útil de varios componentes que, en última instancia, determinan los impactos de las partículas y las nubes en la salud humana y el medio ambiente. Ver la reseña completa en Química y Física Atmosférica para obtener recomendaciones sobre cómo estimar el pH, la nomenclatura estándar, una síntesis de las estimaciones actuales de pH basadas en observaciones y nuevos cálculos de modelos a escala local y global. Además, un artículo complementario de Tilgner et al. (2021) sobre “La acidez y la química multifásica de las partículas y nubes atmosféricas acuosas” ya está disponible como preimpresión.

Descargo de responsabilidad: La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. colaboró ​​en la investigación que se describe aquí. Las opiniones expresadas en este artículo pertenecen a los autores y no representan las opiniones o políticas de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.

Editado por Athanasios Nenes y Mengze Li

El autor

La Dra. Havala OT Pye es científica investigadora en la Oficina de Investigación y Desarrollo de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE. UU., donde su trabajo se centra en partículas finas y otros contaminantes en el aire que pueden afectar la salud humana y el cambio climático. Específicamente, desarrolla la representación de partículas finas y especies orgánicas en el sistema de modelado Community Multiscale Air Quality (www.epa.gov/cmaq) que permite una mejor cuantificación de los impactos de la contaminación del aire en el análisis regulatorio. Se desempeña como editora de temas para Desarrollo de modelos geocientíficos y ha recibido el Premio Presidencial a la Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros, el honor más alto otorgado por el gobierno de los EE. UU. a científicos e ingenieros que comienzan sus carreras independientes. Puede encontrar más información sobre su trabajo en havalapye.wordpress.com.

Referencias

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