Eerder onderzoek op het BIRA en elders heeft het bestaan van een ongrijpbare maar zeer grote bron van mierenzuur van onbekende oorsprong in de aardatmosfeer aan het licht gebracht. Mierenzuur is de dominante verzurende stof in wolken in neerslag op afgelegen locaties.
Een paar jaar geleden werd beweerd dat de chemische omzetting van formaldehyde door vloeibare wolken een zeer grote bron van mierenzuur is, wat de ontbrekende bron verklaarde (Franco et al., Nature, 2021). Dit mechanisme houdt in dat formaldehyde (HCHO) in wolken wordt omgezet in methanediol (HOCH2OH) en dat methanediol in de gasfase oxideert tot mierenzuur (HCOOH).
Nu heeft een nieuwe studie, die zojuist is gepubliceerd in PNAS (Proceedings of the National Academy of Science) (Nguyen et al.), met behulp van theoretische en modelleringstools aangetoond dat dit proces verantwoordelijk is voor minder dan 10% van de bron die nodig is om het globale budget voor mierenzuur te sluiten. De modelsimulaties - uitgevoerd bij het BIRA – laten bovendien zien dat het mechanisme vooral inefficiënt is boven begroeide gebieden, net daar waar de ontbrekende bron naar verwachting het grootst is.
Theoretische evaluatie van sleutelprocessen
Met behulp van geavanceerde theoretische tools ontdekten Nguyen et al. dat de reactie van gasvormig methanediol met OH veel langzamer verloopt (met een factor 3) dan werd aangenomen door Franco et al. op basis van laboratoriumexperimenten. De discrepantie wordt verklaard door de aanwezigheid van andere verbindingen (oligomeren van methanediol) die bijdragen aan HCOOH in de experimenten, maar niet in de echte atmosfeer.
Een theoretische analyse op hoog niveau van het evenwicht tussen formaldehyde en methanediol in gasfase in wolken toont bovendien aan dat gasvormig methanediol slechts in zeer kleine hoeveelheden aanwezig is (ongeveer 2% van de hoeveelheid aanwezige formaldehyde) onafhankelijk van de hoeveelheid vloeibaar water in de wolk.
Simulatie van de impact van formaldehydeverwerking door wolken op mierenzuur
Het BIRA voerde modelsimulaties uit om de omzetting van vloeibaar naar gasvormig methanediol te kwantificeren wanneer de wolk verdampt. De resultaten werden gebruikt om het algemene mechanisme voor de verwerking van formaldehyde door wolken te parametriseren in een globaal chemie-transportmodel, het MAGRITTE-model, dat vervolgens op zijn beurt werd gebruikt om de productie van mierenzuur in de atmosfeer via dit mechanisme te kwantificeren.
Er werd veel aandacht besteed aan het in rekening brengen van belangrijke bronnen van onzekerheid, in het bijzonder de gemiddelde tijd die luchtpakketjes in wolken doorbrengen. Andere processen die van invloed zijn op methanediol naast de oxidatie tot mierenzuur - depositie op het aardoppervlak en heropname in wolken - bleken belangrijk te zijn voor de uiteindelijke evaluatie.
Zoals de figuur laat zien, is de relatieve invloed van de verwerking van formaldehyde in wolken op mierenzuur het grootst (tot +50%) boven de oceaan - waar wolken overvloedig aanwezig zijn en andere bronnen van mierenzuur schaars - en het kleinst boven bossen.
Het lijkt erop dat de ontbrekende bron van HCOOH beslist ongrijpbaar blijft! Er zal meer werk en verbeeldingskracht nodig zijn om mogelijke manieren te onderzoeken om deze langdurige discrepantie op te lossen...
Publicatie
Nguyen, T.L .; Peeters, J .; Müller, J.-F .; Perera, A .; Bross, D.H .; Ruscic, B .; Stanton, J.F. (2023). Methanediol from cloud-processed formaldehyde is only a minor source of atmospheric formic acid. , Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol. 120, Issue 48, e2304650120, DOI: 10.1073/pnas.2304650120.
Wetenschappelijk contactpersoon
- Dr. Jean-François Müller, Departementshoofd "Bronnen en verliezen van atmosferische bestanddelen", Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie
E-mail : jean-francois (dot) muller (at) aeronomie (dot) be
Perscontact
- Dr. Karolien Lefever, Diensthoofd “Communicatie en documentatie”, Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie
E-mail: karolien (dot) lefever (at) aeronomie (dot) be
