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研究终于捕捉到烟雾如何形成
科学家终于观察到烟雾中可见的头骨……
来源:加州大学河滨分校科学家直接观测到了一种瞬时化学反应，该反应生成了城市烟雾中的关键成分。这项研究为污染形成的最早阶段提供了见解，并可能有助于改进空气质量预测模型。
研究人员直接追踪了被称为Criegee中间体的短寿命分子，这些分子在臭氧与异戊二烯反应时形成。异戊二烯是树木和其他植物大量释放的一种气体。这些高活性分子有助于驱动大气化学过程，最终影响空气污染和颗粒物形成，但科学家此前主要通过间接证据了解它们。
该研究发表在《自然·通讯》上，由加州大学河滨分校化学家、第一作者Lei Yang以及通讯作者、UCR化学教授Jingsong Zhang和几名博士生完成。
尽管大多数人不熟悉异戊二烯，但它是释放到大气中的最丰富的化学物质之一。树木和其他植物每年排放数亿吨这种气体，使自然植被成为大气中活性气体的最大来源之一。
异戊二烯本身几乎没有直接危害。它属于烯烃类化合物，与大气中的臭氧反应。当这种情况发生时，会引发一系列化学反应，生成称为二次有机气溶胶的颗粒，这些颗粒构成了城市上空的大部分雾霾，散射阳光，并可深入肺部。
尽管树木产生了世界上大部分的异戊二烯，但研究结果并不意味着森林正在导致空气污染。相反，它们强调了控制地面臭氧的重要性，而臭氧是这些反应的驱动因素。
“我们无法控制树木产生的烯烃或异戊二烯，”Zhang说。“如果你想解决空气质量问题，就必须减少空气中的臭氧。臭氧是主要驱动因素。在实践中，这意味着减少其化学前体的排放，特别是氮氧化物和挥发性有机化合物。”
科学家们几十年前就知道臭氧与异戊二烯和其他烯烃反应，但该反应的初始时刻在很大程度上仍不可见。化学反应在百分之一秒内展开，产生称为Criegee中间体的不稳定分子，几乎在形成的同时就消失了。尽管德国有机化学家Rudolf Criegee在80年前就提出了这些中间体的存在，但它们寿命如此短暂，以至于在传统技术能够检测到之前就已消失，并且在臭氧化反应中一直未能被直接观测或表征。
“这就像大自然给我们呈现了一道菜，我们不得不猜测它是如何制作的，”Zhang说。“现在我们有了食谱。”
为了捕捉这些难以捉摸的分子，研究人员使用了光腔衰荡光谱技术，这是一种超灵敏光学技术，光在反射镜之间传输约10,000次。该系统不是收集分子进行分析，而是在它们生成的位置进行观测，使科学家能够检测到仅短暂存在且浓度极低的化合物。
利用这种方法，该团队检测到了异戊二烯与臭氧反应过程中产生的Criegee中间体，并追踪了它们随时间的形成和消失过程。这些测量使研究人员能够确定反应速率，并通过直接观测来测试大气反应网络，而不是仅仅依赖反应完成后留下的稳定产物。
这项工作建立在Zhang实验室早先研究的基础上，该研究也发表在《自然·通讯》上，在涉及较小烯烃的简单反应中捕获了Criegee中间体。异戊二烯具有更复杂的分子结构，在大气化学中起着核心作用，因此带来了更大的挑战，并具有更广泛的环境意义。
对这些早期反应的更好测量可以改进科学家用于预测污染事件和了解细颗粒污染在不同环境条件下如何形成的大气模型。尽管该研究是在受控实验室条件下进行的，但研究人员表示，它为检查真实大气中发生的日益复杂的化学反应奠定了基础。
接下来，该团队计划将相同的技术应用于蒎烯（树木自然释放的另一类主要化合物），以更好地了解它们如何与臭氧反应并导致空气污染。
“八十年来，科学家们只能推断这些反应在最初瞬间发生了什么，”Zhang说。“现在我们能够观察它们发生。这让我们对臭氧如何将自然排放物转化为塑造我们大气层的化合物有了迄今为止最清晰的图景。”
（封面图片：Freder/Getty）