Η ατμόσφαιρα της Γης είναι γεμάτη από διάφορα αέρια. Εκτός από το άζωτο, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα στην τροπόσφαιρα, περιέχει επίσης άλλα μόρια ή ίχνη αερίων που μπορεί να είναι ουδέτερα, είτε ωφέλιμα, είτε επιβλαβή για την υγεία μας. Από πού προέρχονται; Υπάρχουν πολλές πηγές ειδών πτητικών οργανικών ενώσεων , όπως εκείνες από τα φυτά και εκείνες που προκαλούνται από ανθρωπογενείς παράγοντες, όπως οι εκπομπές οχημάτων.
Κάτω από περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως το υπεριώδες φως και η παρουσία άλλων μορίων ή στερεών σωματιδίων, μπορούν να υποστούν αποικοδόμηση ή μετασχηματισμό σε εντελώς διαφορετικά μόρια. Ως αποτέλεσμα, γίνονται δευτερογενείς ρύποι της ατμόσφαιρας. Πρόσφατα, ερευνητές από το Ινστιτούτο Φυσικής Χημείας της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών, σε συνεργασία με την TROPOS, επικεντρώθηκαν στην αποκάλυψη της μοίρας αυτών των πτητικών οργανικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα,
Το μόνο συστατικό του αέρα που είναι απαραίτητο για την αναπνοή είναι το οξυγόνο. Ωστόσο, η ατμόσφαιρα είναι γεμάτη από πολλά άλλα αέρια και η σύνθεση τους ποικίλλει ανάλογα με πολλούς παράγοντες, όπως αν περιέχει αερολύματα από ρύπους, αέρια και μικροσκοπικά σταγονίδια. Ποια είναι η προέλευσή τους; Η προφανής απάντηση είναι η βιομηχανία και τα εργοστάσια της που έχουν την τάση να προκαλούν τεράστια ρύπανση.
Μια άλλη πηγή είναι οι φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στον αέρα. Πράγματι, και οι δύο απαντήσεις είναι ακριβείς, αλλά υπάρχουν και άλλες πηγές αυτών των χημικών ουσιών. Ένα από αυτά είναι τα φυτά, τα οποία απελευθερώνουν πολλές πτητικές ενώσεις. Όταν ένα φυτό υφίσταται μια ξαφνική αλλαγή θερμοκρασίας, βιοτική ή μηχανική καταπόνηση, όπως το τσίμπημα από έντομο ή το κόψιμο κατά το κούρεμα, πολλά διαφορετικά μόρια απελευθερώνονται ως φυσικός μηχανισμός που προστατεύει το φυτό από τις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Κάποιες άλλες ενώσεις προστατεύουν τα φυτά από ασθένειες. Η συγκέντρωση αυτών των πτητικών ενώσεων που απελευθερώνονται στον αέρα είναι τεράστια και κάθε μόριο μπορεί να υποβληθεί σε διάφορες χημικές διεργασίες, προκαλώντας μια σειρά από άλλες χημικές ουσίες.
Το πιο κοινό συστατικό αυτών των διεργασιών είναι ο σχηματισμός ελεύθερων ριζών υπό την επίδραση του υπεριώδους φωτός ή των χημικών αντιδράσεων. Επιπλέον, τα πτητικά στον αέρα μπορούν να συνδεθούν με ορισμένα στερεά σωματίδια όπως η σκόνη. Όταν προσροφηθούν στην επιφάνεια, μπορούν να μετατραπούν σε ακόμη πιο πολύπλοκες ενώσεις, σχηματίζοντας δευτερογενή οργανικά αερολύματα που είναι ακόμα πιο λίγο εξερευνημένα.
Ευτυχώς, οι επιστήμονες από το Ινστιτούτο Φυσικοχημείας της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών με επικεφαλής τον καθηγητή Rafał Szmigielski ακολούθησαν αυτόν τον ερευνητικό κλάδο που δείχνει το άγνωστο πρόσωπο των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων. Εντόπισαν νέες πηγές ορισμένων οργανικών αερολυμάτων, υποδεικνύοντας τον ρόλο των φυτών. Η έρευνά τους αποκάλυψε πόσο γρήγορα αυτές οι ενώσεις μετασχηματίζονται σε ατμοσφαιρικά υδατικά μέσα, δίνοντας την αρχή σε νέα οργανικά αερολύματα.
Μόλις τα πτητικά οργανικά μόρια χωριστούν σε ατμοσφαιρικό υγρό, όπως η ομίχλη και τα σύννεφα, μπορούν να μετατραπούν σε εντελώς νέες ενώσεις με διαφορετικές δομές και αντιδραστικότητα. Η σταθερότητα τους εξαρτάται από πολλές φυσικοχημικές ιδιότητες και περιβαλλοντικούς παράγοντες. Οι ερευνητές είχαν την περιέργεια να μάθουν πόσο καιρό ζούσαν οι συγκεκριμένες ενώσεις σε αέρια, υδατικά ή πολυφασικά συστήματα και παρουσίασαν τις κινητικές μελέτες που παρουσιάζουν τη διάρκεια ζωής τους σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες.
“Τα πράσινα φυτά που εκτίθενται σε αβιοτικό ή βιοτικό στρες απελευθερώνουν C-5 και C-6 ακόρεστους οξυγονωμένους υδρογονάνθρακες που ονομάζονται Green Leaf Volatiles (GLV).
Τα πτητικά πράσινα φύλλα (Green leaves volatiles ή εν συντομία GLV) δεν φαντάζουν τρομακτικά, κυρίως λόγω της φυσικής τους προέλευσης. Ταυτόχρονα, ετησίως, ακόμη και 1 δισεκατομμύριο κιλά διαφόρων ενώσεων μπορούν να απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Το επίπεδο των GLVs στην ατμόσφαιρα συνδέεται άμεσα με την ανθρώπινη δραστηριότητα, επηρεάζοντας δραματικά την ποιότητα του αέρα σε διάφορες περιοχές.
Συνδέονται επίσης με τη ρύπανση. Τα στερεά σωματίδια στον αέρα γίνονται ιδανική πλατφόρμα για τη συμπύκνωση των GLV και τη διάδοση τους στην ατμόσφαιρα. Όσο περισσότερα γνωρίζουμε για τις αντιδράσεις GLV, τόσο καλύτερα μπορούμε να εκτιμήσουμε το ρόλο τους στην ατμοσφαιρική ρύπανση και την κλιμάκωση των σωματιδίων.
«Σε αυτή την εργασία, εξερευνήσαμε για πρώτη φορά την κινητική αντίδρασης υδατικής φάσης των τριών GLVs – 1-penten-3-ol, (Z)-2-hexen-1-ol, and (E)-2-hexen-1-al – με τροποσφαιρικές ρίζες • OH, SO 4 •– και NO 3», ισχυρίζεται ένα από τα μέλη της ερευνητικής ομάδας, ο Kumar Sarang.
Λόγω της αυξανόμενης ρύπανσης και της ποσότητας πολλών πτητικών οργανικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα, πολλές μελέτες επικεντρώνονται στη διερεύνηση της ποιότητας του αέρα και στη θεωρητική μοντελοποίηση για την πρόβλεψη της εξάπλωσης και του μετασχηματισμού των πτητικών ρύπων στον αέρα παγκοσμίως. Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη των φυσικών διεργασιών στον αέρα είναι εξαιρετικά περίπλοκα, ωστόσο, ακόμη και μια μικροσκοπική αλλαγή στην είσοδο για το μοντέλο μπορεί να επηρεάσει δραστικά την προκύπτουσα έξοδο. Για το λόγο αυτό, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πλήρως τον μετασχηματισμό των ενώσεων που απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα.
Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν πολλά μοντέλα που περιλαμβάνουν τη δραστηριότητα GLV στον αέρα. Ωστόσο, ακόμη και μια μικρή εξέλιξη στην κατανόηση των GLVs μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ποιότητα των μελετών ατμοσφαιρικής μοντελοποίησης. Γιατί; Γιατί η ατμόσφαιρα «ζει» από μόνη της και απέχουμε πολύ από το να κατέχουμε ένα ιδανικό μοντέλο που θα μας επέτρεπε να προβλέψουμε με ακρίβεια τη συμπεριφορά της ατμόσφαιρας.
Για να το κάνουμε αυτό και να βελτιώσουμε τα τρέχοντα ατμοσφαιρικά μοντέλα, πρέπει να επινοήσουμε καινούργιες μεθόδους για να δημιουργήσουμε ένα καλύτερο μοντέλο της ατμόσφαιρας.
Ο καθηγητής Szmigielski λέει ότι “κύριος στόχος τους ήταν να προσδιορίσουν τις σταθερές ταχύτητας και να αξιολογήσουν την ατμοσφαιρική σημασία των αντιδράσεων. Τα εξεταζόμενα GLVs μπορεί να είναι αποτελεσματικοί πρόδρομοι σχηματισμού υδατικού SOA, παρόλο που είναι μέτρια υδατοδιαλυτά και ενδιάμεσα πτητικά.”
Ερευνητές από το IPC PAS πραγματοποίησαν αυτές τις μελέτες σε συνεργασία με επιστήμονες από το Ινστιτούτο Τροποσφαιρικής Έρευνας Leibniz (TROPOS), μελετώντας τις αντιδράσεις των GLVs χρησιμοποιώντας λέιζερ προηγμένης τεχνολογίας στα εργαστήρια της TROPOS. Η ζωτικής σημασίας συνεργασία περιελάμβανε και την καθηγήτρια έμπειρη Irena Grgic από το Εθνικό Ινστιτούτο Χημείας, της Λιουμπλιάνα στη Σλοβενία.
Αυτό κατέστησε δυνατή την παράδοση δεδομένων σχετικά με τον ρυθμό συγκεκριμένων χημικών αντιδράσεων ορισμένων οργανικών μορίων και τις αντιδράσεις τους με τις ελεύθερες ρίζες που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα.
Χάρη σε αυτή τη γόνιμη συνεργασία, ήταν δυνατό να εκτιμηθεί η διάρκεια ζωής των ενώσεων GLV στην ατμόσφαιρα μετά την απελευθέρωση από τα πράσινα φύλλα.
Ο μετασχηματισμός των GLV και η διάρκεια ζωής στην ατμόσφαιρα εξαρτώνται αυστηρά από τις φάσεις. Γιατί; Το νερό που υπάρχει στην ατμόσφαιρα τείνει να σχηματίζει μικροσκοπικά σταγονίδια που έχουν τεράστια ικανότητα να διαλύουν πολλές ενώσεις. Πολλές ατμοσφαιρικές ενώσεις μπορούν να αντιδράσουν στο νερό πολύ πιο γρήγορα από ότι στην αέρια φάση. Οι ερευνητές μιμήθηκαν τις ατμοσφαιρικές συνθήκες στο εργαστήριο για να λάβουν πληροφορίες για το τι συμβαίνει σε συγκεκριμένο GLV στον αέρα παρουσία πολλών ριζών.
“Οι αντιδράσεις GLV υδατικής φάσης φάνηκαν αμελητέες σε υγρό αερόλυμα και θολό νερό, αλλά όχι σε σύννεφα και βροχές. Οι ατμοσφαιρικοί χρόνοι ζωής των GLV μειώθηκαν από πολλές ημέρες σε ώρες με την αύξηση της περιεκτικότητας σε υγρό νερό και τη συγκέντρωση των ριζών”, επισημαίνει ένα άλλο μέλος της ερευνητικής ομάδας ο Δρ. Krzysztof J. Rudzinski.
Δεν γνωρίζουν γνωρίζουμε με απόλυτη ακρίβεια την ατμοσφαιρική χημεία που καλύπτει τις διεργασίες ακριβώς πάνω από το έδαφος και στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Ωστόσο, αυτό το πεδίο είναι σημαντικό για τη δημιουργία πιο ακριβών μοντέλων της ατμόσφαιρας και την κατανόηση των επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία από αυτές τις ενώσεις που αιωρούνται στον αέρα.
Οι μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από ερευνητές από το IPC PAS μας φέρνουν πιο κοντά στην κατανόηση των διεργασιών στον αέρα και επισημαίνουν ότι δεν μπορούμε να παραβλέψουμε τις αντιδράσεις της υδατικής φάσης, ακόμη και όταν περιλαμβάνουν GLV.
Η έρευνα τους δείχνει τι συμβαίνει με τις πτητικές οργανικές ενώσεις που απελευθερώνονται από τα φυτά, όταν απορροφώνται σταγονίδια και στερεά σωματίδια που αιωρούνται στον αέρα. Οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια σειρά από φωτοχημικά πειράματα αποκαλύπτοντας τις διεργασίες που υφίστανται τα GLV στην ατμόσφαιρα.
Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα αυτής της έρευνας είναι ο προσδιορισμός των σταθερών ρυθμού και των χρόνων ζωής του GLV ως νέων πηγών αερολύματος στην ατμόσφαιρα. Ως εκ τούτου, αυτή η έρευνα αποδεικνύει τη σημασία αυτών των μορίων στη μοντελοποίηση της ατμόσφαιρας, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην καλύτερη πρόβλεψη των ατμοσφαιρικών φαινομένων, ακόμη και στην κατανόηση της κλιματικής αλλαγής. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στις 28 ης Σεπτέμβρη 2021 στο Environmental Science & Technology.
Διάβασε επίσης: Ο ρόλος των εξαρτήσεων στη ζωή μας: Πως να απαλλαγούμε από αυτές;
