Учёные впервые напрямую зафиксировали кратковременную химическую реакцию, в результате которой образуется один из ключевых компонентов городского смога. Результаты работы могут помочь точнее прогнозировать ухудшение качества воздуха и понять самые ранние этапы формирования загрязнений.
Исследователи наблюдали за промежуточными соединениями Криге, возникающими при взаимодействии озона с изопреном. Этот газ в больших количествах выделяют деревья и другие растения. Соединения Криге отличаются высокой реакционной способностью и участвуют в атмосферных процессах, которые приводят к появлению загрязняющих частиц, однако прежде их роль в основном оценивали косвенно.
Изопрен относится к наиболее распространённым химическим веществам, поступающим в атмосферу. Растительность ежегодно выделяет сотни миллионов тонн этого газа. Сам по себе изопрен представляет небольшую прямую опасность, но вступает в реакцию с озоном и запускает цепочку превращений, в ходе которых образуются вторичные органические аэрозоли.
Такие частицы составляют значительную часть городской дымки, рассеивают солнечный свет и способны проникать глубоко в лёгкие. При этом результаты исследования не означают, что леса являются причиной загрязнения воздуха. Как пояснил профессор химии Калифорнийского университета в Риверсайде Джингсон Чжан, основное внимание следует уделять снижению концентрации приземного озона и выбросов его предшественников — оксидов азота и летучих органических соединений.
Первые мгновения реакции долго оставались недоступными для прямого наблюдения: химический процесс занимает сотые доли секунды, а промежуточные соединения почти сразу распадаются. Несмотря на то что немецкий химик-органик Рудольф Криге предположил их существование 80 лет назад, обычные методы не позволяли обнаружить эти нестабильные молекулы.
Для эксперимента команда использовала сверхчувствительную спектроскопию затухания в резонаторе. В такой системе свет многократно проходит между зеркалами — примерно 10 тысяч раз, что позволяет фиксировать соединения непосредственно в момент их образования и исчезновения. Работа, выполненная Леем Яном, Джингсоном Чжаном и несколькими докторантами, опубликована в журнале Nature Communications, о ней сообщил сайт Калифорнийского университета в Риверсайде.
Полученные данные позволили определить скорости реакций и проверить атмосферные химические модели на основе прямых наблюдений. Исследование стало продолжением более ранней работы лаборатории Чжана, где промежуточные соединения Криге изучали в реакциях с более простыми алкенами. В дальнейшем учёные планируют применить тот же метод к пиненам — другому классу веществ, которые естественным образом выделяют деревья, чтобы выяснить их вклад в образование загрязнений при взаимодействии с озоном.