해양 지역에서 요오드산 입자의 급속한 형성에 있어서 디메틸아민의 중요한 역할

npj 기후 및 대기 과학 5권, 기사 번호: 92(2022) 이 기사 인용

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해양 신입자 형성(NPF)은 지구 대기의 구름 응축 핵(CCN)에 영향을 미칠 수 있습니다. 최근 요오드산(IA)이 해양 NPF의 중요한 동인으로 확인되었습니다. 그러나 IA의 대기 관측은 예측된 입자 형성 속도와 연관될 수 없습니다. 대기 구성 요소의 복잡성을 고려할 때 다른 종은 IA 입자 형성을 촉진할 수 있습니다. 산성 전구체의 효율적인 안정제로서 디메틸아민(DMA)은 해양 전역에 널리 분포되어 있습니다. 따라서 우리는 서로 다른 대기 조건에서 DMA와 IA의 핵 생성 과정을 조사하고 양자 화학적 접근 방식과 ACDC(대기 클러스터 역학 코드)를 사용하여 해당 핵 생성 메커니즘을 밝혀냈습니다. 연구 결과에 따르면 DMA는 수소 및 할로겐 결합을 통해 IA를 구조적으로 안정화할 수 있으며 클러스터링 프로세스에는 에너지 장벽이 없습니다. 더욱이 DMA는 IA 클러스터의 형성 속도를 5배 정도 향상시킬 수 있으며 IA 클러스터 형성을 촉진하는 효율성은 NH3보다 훨씬 높습니다. IA의 순차적 첨가를 통한 핵 생성과 비교하여 IA-DMA 핵 생성은 핵 생성 동역학에서 더 지배적인 역할을 합니다. 따라서 IA 클러스터 안정성 및 형성 속도 향상에 대한 DMA의 효과는 특히 IA 및 DMA 방출 소스 근처 지역에서 무시할 수 없습니다. 광범위하게, 제안된 IA-DMA 핵 생성 메커니즘은 일부 누락된 입자 소스와 그에 따른 집중적인 해양 NPF 이벤트를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

해양 에어로졸은 세계에서 가장 중요한 자연 에어로졸 시스템으로 작용하며, 구름 응축 핵(CCN)1,2으로의 추가 전환을 통해 지구 복사 균형과 기후 시스템에 큰 영향을 미칩니다. 기체 분자의 핵형성을 통해 시작된 새로운 입자 형성(NPF)은 대기 에어로졸3,4의 중요한 소스를 제공합니다. 따라서 해양 에어로졸 형성을 더 잘 이해하기 위한 중요한 과제는 핵 생성 전구체의 화학적 종분화와 분자 수준에서 해당 핵 생성 메커니즘을 풀어내는 것입니다5,6.

전 세계적으로 해양 NPF는 생물학적 배출에 의해 크게 영향을 받지만, 특히 먼 바다에서는 인위적 영향도 약간씩 포함되지만7. 현장 관찰에 따르면 해양 NPF는 해양 조류9,10에서 방출되는 요오드 증기에서 유래하는 요오드 함유 분자8와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 요오드 성분 중 요오드산(HIO3, IA)은 해안, 바다 및 얼음으로 덮인 극지방에서 주요 NPF 동인으로 확인되었습니다11,12,13. 그러나 IA의 대기 관측은 예측된 입자 형성 속도와 연관될 수 없습니다14. 대기 성분의 복잡성을 고려할 때 해양에 널리 퍼진 다른 전구체, 특히 생물학적 배출물도 IA 입자의 형성 과정에 포함될 수 있습니다. 대기 중에 널리 분포하는 질소 염기인 아민(예: 모노메틸아민 MA, 디메틸아민 DMA 및 트리메틸아민 TMA)은 상대적으로 강한 염기성을 가지며 결과적으로 잘 알려진 황산(SA)15,16과 같은 산성 핵생성 전구체에 대한 안정화 효과를 나타냅니다. 메탄술폰산(MSA)17,18. 이러한 아민 분자(DMA ≥ TMA > MA)의 더 강력한 안정제로서 가장 광범위하게 연구된 DMA는 중국 상하이 해안 도시19, 캘리포니아 해안20 및 대양21,22에서 주요 핵 생성 전구체로 확인되었습니다. 더욱이, 널리 퍼진 DMA는 바다 위의 상당한 대기 농도(0.4-10 pptv)를 가지므로 해양 NPF23에 중요합니다. 산성 전구체를 효율적으로 안정화하는 DMA의 능력과 해양 대기에서의 광범위한 분포를 고려할 때 DMA가 산-염기 반응을 통해 IA 분자를 안정화할 가능성이 있습니다. 그러나 DMA가 IA와 빠르게 클러스터링할 수 있는지 여부와 해당 핵 생성 과정은 분자 수준에서 알려져 있지 않습니다.

O-H…O (13%) > O-H…N (5%) > N-H…N (3%). The high percentage of N-H…O is due to the N-H covalent bonds formed by proton transfer (O-H…N → O…H-N) within most IA-DMA clusters./p> 0 and H(r) < 0. And for XBs within clusters, O-I…O contributes more (84%) than O-I…N XBs (16%), acting mainly between IA molecules. Overall, IA-DMA clusters are jointly stabilized by multiple types of intermolecular HBs and XBs. Also, during the clustering process, the acid-base reactions between IA and DMA occur in most clusters, resulting in acid-base ion pairs./p>1)54. Once the boundary clusters (the smallest ones out of the system) are formed, they tend to keep growing without evaporating into smaller sizes28. Here, the boundary clusters in the IA-DMA system are set to be (IA)7, (IA)5.(DMA)2 and (IA)6.(DMA)1 clusters (see Supplementary Methods). For the IA-NH3 system, the boundary clusters are set to be (IA)7 and (IA)6.(NH3)1 clusters with reference to previous study35. Moreover, the effect of different condensation sink coefficients (1.0 × 10−2–1.0 × 10−4 s−1), covering coastal to polar regions8,14,32, on the results was examined in Supplementary Figs. 4, 5./p>