Rapida crescita di nuove particelle atmosferiche mediante condensazione di acido nitrico e ammoniaca

Natura volume 581, pagine 184–189 (2020)Citare questo articolo

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Alla fine dell’articolo è riportato un elenco degli autori e delle loro affiliazioni. La formazione di nuove particelle è uno dei principali fattori che contribuiscono allo smog urbano1,2, ma il modo in cui avviene nelle città è spesso sconcertante3. Se i tassi di crescita delle particelle urbane sono simili a quelli riscontrati in ambienti più puliti (1-10 nanometri all’ora), allora le conoscenze esistenti suggeriscono che le nuove particelle urbane dovrebbero essere rapidamente eliminate dall’elevata concentrazione di particelle preesistenti. Qui mostriamo, attraverso esperimenti eseguiti in condizioni atmosferiche nella camera CLOUD del CERN, che al di sotto di circa +5 gradi Celsius, i vapori di acido nitrico e ammoniaca possono condensarsi su particelle appena nucleate piccole fino a pochi nanometri di diametro. Inoltre, quando fa abbastanza freddo (sotto i -15 gradi Celsius), l’acido nitrico e l’ammoniaca possono nucleare direttamente attraverso un meccanismo di stabilizzazione acido-base per formare particelle di nitrato di ammonio. Dato che questi vapori sono spesso mille volte più abbondanti dell’acido solforico, i tassi di crescita delle particelle risultanti possono essere estremamente elevati, arrivando ben al di sopra dei 100 nanometri all’ora. Tuttavia, questi elevati tassi di crescita richiedono che il sistema gas-particelle di nitrato di ammonio sia fuori equilibrio per sostenere le sovrasaturazioni della fase gassosa. In considerazione della forte dipendenza dalla temperatura che misuriamo per le sovrasaturazioni della fase gassosa, ci aspettiamo che tali condizioni transitorie si verifichino in contesti urbani disomogenei, soprattutto in inverno, guidati dal mescolamento verticale e da forti fonti locali come il traffico. Anche se la rapida crescita dalla condensazione di acido nitrico e ammoniaca può durare solo pochi minuti, è comunque abbastanza veloce da guidare le particelle appena nucleate attraverso l’intervallo di dimensioni più piccole dove sono più vulnerabili alle perdite di lavaggio, aumentando così notevolmente la loro probabilità di sopravvivenza. Ci aspettiamo anche che la nucleazione e la rapida crescita dell’acido nitrico e dell’ammoniaca siano importanti nella troposfera libera superiore, relativamente pulita e fredda, dove l’ammoniaca può essere trasportata per convezione dallo strato limite continentale e l’acido nitrico è abbondante a causa delle tempeste elettriche4,5.

La formazione di nuove particelle potrebbe mascherare fino alla metà della forzante radiativa causata, a partire dalla rivoluzione industriale, dal biossido di carbonio e da altri gas serra a vita lunga6. Si ritiene che l'attuale formazione di particelle coinvolga prevalentemente vapori di acido solforico a livello globale7,8,9. La successiva crescita delle particelle è più ricca e spesso coinvolge molecole organiche10. Spesso la crescita è il passo limitante per la sopravvivenza delle particelle provenienti da ammassi appena nucleati fino a diametri di 50 o 100 nm, dove diventano abbastanza grandi da diffondere direttamente la luce e anche da innescare la formazione di nuvole11,12.

La formazione di nuove particelle nelle megalopoli è particolarmente importante2, in parte perché l’inquinamento atmosferico nelle megalopoli costituisce una crisi di salute pubblica13, ma anche perché la forzante climatica regionale associata alla foschia urbana delle megalopoli può essere ampia14. Tuttavia, la formazione di nuove particelle nelle megalopoli altamente inquinate lascia spesso perplessi, perché i tassi di crescita apparenti delle particelle sono solo modestamente più veloci (di un fattore pari a circa tre) rispetto ai tassi di crescita nelle aree remote, mentre la caduta di condensazione del vapore (verso le particelle di fondo) è fino a due ordini di grandezza più grandi (Dati estesi Fig. 1). Ciò implica una probabilità di sopravvivenza molto bassa nella "valle della morte", dove le particelle con diametro (dp) di 10 nm o meno hanno un'elevata diffusività browniana e andranno perse a causa dello scavenging coagulativo a meno che non crescano rapidamente7,15.

Il nitrato di ammonio è stato riconosciuto da tempo come un costituente importante ma semivolatile degli aerosol atmosferici16. Soprattutto in inverno e nelle zone agricole, il nitrato di particolato può rappresentare un problema sostanziale per la qualità dell’aria17. Tuttavia, si ritiene che la ripartizione dei vapori di acido nitrico e ammoniaca con il nitrato di ammonio particolato raggiunga rapidamente un equilibrio, spesso favorendo la fase gassosa quando è calda.