氮的问题

氮氧化物(不,没有_2;没有_x)有负面新闻,尤其是汽车尾气排放后的丑闻。但他们只是一小部分的高度复杂的氮循环,控制一个巨大范围的大气过程,其中许多都与气候变化和人类健康不良影响。从农业氨排放到汽车打嗝_x支离破碎的方式,研究了周期但现在呼吁团结人员来帮助决策者所需要知道的。

虽然周期的许多方面都好理解,夜间化学已经有点被忽视。地球的大气化学变化显著的空气冷却和太阳的光化学逐渐消退。因为长期的化学物质在黑暗的小时下降到第二天,表面理解夜间机制与政策可以帮助减少破坏性的硝基污染物水平造成不良的健康影响,从心脏病到呼吸道疾病。

白天,表面加热导致对流电流给深边界层,那里的空气混合,容易样品进行化学分析。夜幕降临,地球表面的冷却,大气中分裂给浅边界层。上面的空气混合在白天保持稳定边界层的残留层。

在黑暗中

很多大气化学领域在过去的30到40年里一直专注于白天的化学。夜间化学有点困难,皮特·爱德华兹从沃尔夫森说大气化学实验室在英国约克大学。

史蒂夫·布朗一起从美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室(NOAA ESRL)在科罗拉多州,爱德华兹已经测量了从植物释放出的化学物质反应燃煤发电厂排放在美国东南部小时的黑暗。

森林释放大量的挥发性有机化合物,如异戊二烯(2-methyl-1三丁基)和单萜。与此同时,电厂注入他们的没有_x直接到夜间残留层。尽管人为排放的二氧化硫和没有下降_x,该地区仍有一个问题与臭氧和粒子,这是一个谜。

异戊二烯的排放,就像亚马逊,”爱德华兹说。白天,多达90%的异戊二烯迅速氧化形成臭氧和二次有机气溶胶,有机硝酸盐等出口30%的人为没有_x边界层。与此同时,臭氧和二氧化氮也反应形成硝酸盐(NO₃白天)自由基,它迅速photolyse但成为占主导地位的氧化剂。

研究团队飞NOAA飞机挤满了仪器在发电厂附近的残留层“羽”,之前顺风。电厂测量似乎表明硝酸气溶胶收益率远远高于预测从先前的实验进行的大房间,爱德华兹说。与异戊二烯的实验室研究表明,硝酸反应可能是一种更有效的方式使颗粒物,”布朗补充道。如果是这种情况,那么反应可能是异戊二烯有机气溶胶的一大源头,而光化学。这一过程是不包括在许多现在空气质量模型或气候模型,”他补充道。

的最终目的是提高我们表示事情影响空气质量和气候

研究小组推测,该地区的夜间氧化是一种机械的“引爆点”,开始是由臭氧,而不是没有_x。但实际的机制仍然有些笼罩。

布朗渴望在中国开展类似的研究,既有大型生物排放和显著的人为释放,包括增加_x的水平。我认为化学是非常可以理解,这将是一个前沿领域的研究,我们在美国东南部将会是很有趣的,我认为,必要的。”

颗粒物是一个监管的二次污染物,影响人类健康,布朗说。“我们需要更多的数据来描述所有相关过程的率和收益率,这些模型可以更准确地预测多少颗粒物来自大气化学夜间的一面。”

研究人员希望利用新机械的理解帮助政策和未来排放场景,爱德华兹说。的最终目的是提高我们的表示空气质量和气候有影响的事情,两个主要的社会挑战。总氮循环,对氮沉降颗粒物有巨大的影响,也影响了海洋和陆地的受精。这所有提要到氮的问题。”

密室

今年夏天,爱德华兹和布朗前往德国j研究中心重新审视室实验使用该机构的Saphir(模拟大气光化学反应在一个大室)设施,希望暴露之间的详细化学反应机制₃激进和异戊二烯。室,他们能够控制类型的自由基,自由基中间体。

这样巨大的实验室研究,密封室有助于解开机制,但并不完美。很多氮基化学物质非常“粘性”,可以输给了墙壁。在过去,当测量技术并不敏感,实验往往是在高浓度。现在已经成为明显的是,那些非常高浓度的化学变化,因为活性物种的寿命要短得多,这意味着他们不一定接受同样的反应,因为他们会在大气中,”爱德华兹说。

帮助是什么仪器远比10年前更敏感,真的与化学电离飞行时间质谱等技术帮助研究高度functionalised有机氮化合物。与此同时,科学家们也可以定义这些室研究的局限性。这些天,团队可能使用相同的仪器室和字段允许直接比较。“我认为室之间的交互和实地研究代表了新边疆发展中机械的理解对于这些系统,”布朗说。

从他们的假设,尽管不确定性产生的计算机模拟是必要的。详细的化学,研究人员倾向于使用所谓的盒模型,忽略气象的影响,动态,和排放。但模拟城市的空气质量要求更大的3 d模型,复制气团的运动。这样的计算密集型模型需要简化化学。

火,火

布朗也使用相同的方法来研究生物质能的大气化学火灾在美国西部,NOAA项目的一部分称为Firex(火灾影响区域对全球环境实验)。Firex看着排放,以及有机气溶胶等次要物种形成机制。火是重要的许多生态系统,但也带来了明显的风险对人类健康和财产。近年来森林火灾的频率和持续时间的增加在世界各地。

2016年,Firex林业服务设施进行了实验室研究,点火的大型室内烟囱底部,与烟管提取样品并送实验室仪器,包括proton-transfer-reaction质谱仪。研究发现许多未知的挥发性和挥发性化合物在野火烟雾。

2019年,该项目将进行大规模协调密集型领域研究使用一个大的转换Nasa dc - 8飞机以及几个小NOAA飞机。我们希望得到尽可能接近他们会让我们,”解释了吉姆•罗伯茨在NOAA ESRL大气研究化学家。他希望能够观察从30分钟后几天后的火开始燃烧。的氮排放非常有趣的一部分,”他说。野外火灾是毫无不够热_x空气中的氮气和氧气,与汽车或发电厂,他解释说。相反,所有的氮来自燃料。在中间温度得到异氰酸(HNCO)和氰化氢,两者都导致人类肺部炎症反应,而低温化合物包括氨和胺。

在火你可以得到非常不同的排放会导致不同的大气化学

火灾实验室研究的结果和仿真室一起将使用数据从2019年的现场任务提高造型和空气质量预测。通过测量化合物作为温度的函数,这个团队就可以开始做重要的一概而论,罗伯茨说。模型很重要,因为我们不能衡量每一个火,但我们需要能够理解将对空气质量的影响。我们认为我们有一个很好的组观察,将允许我们这样做,我们就能确认与我们的测量明年夏天。”

生物质燃烧是地球上最变量排放源,”布朗说。还有一个很大的区别燃烧生物质排放和燃烧的一个。“在一个小时或分钟火期间你可以非常不同的排放会导致不同的大气化学,所以这是一个非常复杂的问题。”

从2016年美国野外研究和结果由科罗拉多大学的马修·科格表明更高的氮燃料内容提供了更高的氮含量挥发性有机化合物的排放。化合物对人类健康有害的排放,如异氰酸和氰化氢,和二次污染物的形成,可能取决于燃料氮,研究人员建议。

烟从住宅木材火灾通常比作物含有更少的氮和草地火灾但氮化合物发布甚至可以改变在一个工厂,科格说。研究人员表明,乙腈(CH₃CN),常用的示踪剂,可能不适合国内燃烧在城市地区。相反,木材燃烧排放可能最好被分析排放概要文件而不是依靠一个示踪,他们说。

罗伯茨渴望深入研究之间的关系暴露于火灾的氮化合物和健康结果。他希望建立一个合作研究人员可以研究健康的影响与他的团队在测量和化学领域的专长。我们需要讨论这个作为一个社区,”他说。

国际救援

生态与水文中心的Mark Sutton在爱丁堡,英国,也希望建立一个氮社区。我认为有趣的与氮循环的理解往往是我们将知道关系的原则,但定量它们如何组合在一起的差,只是因为许多科学家已经支离破碎的方式在循环,”他说。让人们保持更紧密的合作是一个挑战,但每个氮问题的通常是不足以驱动变化”。

萨顿专门从事大气氨,在大气中存在时间很短但与酸反应生成颗粒物粒子构成风低于2.5µm大小。

每个氮问题自己来推动变革往往是不够的

他椅子国际氮倡议(INI),一个全球网络的科学家研究与政策,与目标刺激全球氮科学网络。联合国环境规划署一起INI启动了一个项目“向国际氮管理体系(立即通知),旨在汇集科学界、私营部门和社会收集证据来支持国际政策来改善全球氮管理。有六个区域中心代表非洲、欧洲、拉美、北美、南亚和东亚,INI希望优化氮的有益作用可持续的粮食生产,尽量减少其对人类健康和环境的负面影响。

其目的是为了收集足够的证据“展示”有效的全球氮管理实践的需要,很大程度上在农业。立即通知也旨在刺激区域评估建立一个全球氮污染状态通知管理的政策,解释了从Indraprastha大学讲师Nandula Raghuram在印度,谁将成为2019年INI的椅子。

INI专责小组也会导致活性氮的联合国欧洲经济委员会成立后日内瓦公约。它旨在鼓励空气污染政策协调上下文中的氮氮循环。萨顿,这意味着研究氨氮循环和其他关系寻找农民和环境的“双赢”。

与印度的氮污染水平飙升,Raghruam印度氮集团创始人之一,发现65%的氮在印度用作肥料可能会泄漏到环境中。

氨警报

大多数欧洲农民使用硝酸铵化肥,历史链接到挪威海德鲁公司(现在的雅苒),在1905年第一次让他们使用N₂和一个电火花。这样的硝酸盐不要给太多氨气氛。然而,世界上的其他国家一般使用尿基肥料,生产廉价但释放非常高的氨。尽管尿素可能只有10%的欧洲肥料使用,它占至少50%的氨排放的化肥,萨顿说。

可以减少使用化学物质抑制尿素氨排放量ammonia-releasing脲酶酶在细菌和植物叶片无处不在。“目前最大的问题不是一个技术挑战,而是一个社会和经济,因为公司营销产品的额外成本,”他说。

在2015年为了减少环境氨释放,印度政府规定外套与常绿楝树的石油农业尿素。陪审团在印楝是否有预期的效果,但印度农业部报道积极的结果,与增加农民收益由于增加作物产量和低水平的尿素的使用。

一起Raghuram称为Newton-Bhabha萨顿UK-India虚拟中心智囊团,研究优化氮用于作物生产在印度。萨顿的团队刚刚完成了一个字段项目量化印度稻田氮通量。他与后勤方面的重大挑战,包括在尿素氮15贴上标签,之前找个位置磨成小球。研究人员花了6个月建立一个网站在印度东北部监控氨释放,测试了不同的技术。结果尚未发表但萨顿松了一口气发现标准的电池技术直接测量地面排放似乎或多或少地准确。的数字我们实地试验不是一百万英里的氨和给我们一个说不同的农艺如何治疗基础工作。

萨顿认为研究和政策在一起。我们的科学工作是在政策领域,但这些讨论与决策者更好地理解障碍也反馈改变我们的研究议程。

艾玛·戴维斯是一个基于科学作家在主教的Stortford,英国