现在褐云如何？W&M的化学家分析空气污染
对于外行人来说，ISC 1233的后角可能会被误认为是一个私酿威士忌的蒸馏器。将一系列塑料管插入通风罩内的超大玻璃壶中。但蕾切尔·奥布莱恩（Rachel O 'Brien）不是在酿造私酿威士忌，而是在种植气溶胶。“这是我的气溶胶农场，”奥布莱恩指着引擎盖自豪地说。“学生们正在制造气溶胶，我们正在收集它们。看，我有一些小家伙在里面。”这些小家伙实际上是地球大气中非常普遍的成分的新版本。当细小的固体颗粒或液滴悬浮在空气或其他气体中时，就会产生气溶胶。灰尘、雾霾和烟雾都是气溶胶的例子。它们在影响空气质量和地球气候方面发挥着至关重要的作用。今年夏天，威廉与玛丽学院的化学助理教授奥布莱恩将与同为化学助理教授的内森·基德威尔（Nathan Kidwell）合作。这两位化学家将目光投向了棕色碳，这是一类主要由化石燃料排放和生物质燃烧产生的有机分子。棕色碳吸收可见光，这对大气有一个整体的变暖效应。事实上，棕色碳吸收了如此高水平的可见辐射，它被归类为温室气体。“它们就像大气中的防晒分子，”基德威尔说。“它们吸收光线，可能会导致变暖，但它们也会影响大气的化学成分。”为了弄清楚棕色碳是如何影响大气化学的，基德威尔和奥布莱恩计划使用完全相同的棕色碳样本，并检查气体和凝聚态的分子，以模拟在野外发生的情况。两人最近获得了杰弗里斯纪念信托基金的资助，该基金支持弗吉尼亚研究机构的跨学科项目。最终的目标是能够展示污染物是如何在阳光下分解的，既可以是气体，也可以是云滴。要实现这一目标，需要一大批有奉献精神的学生。基德威尔的学生研究人员是Naa-Kwarley Quartey， Sarah Chen， David Hood和硕士候选人K. Jacob Blackshaw。O ' brien的学生研究人员是Lydia Dolvin ' 20, Michael Ambrose ' 19, William Perrine ' 19, Corey Thrasher ' 21, Jacob Shusterman ' 19和硕士候选人Emma Walhout。奥布莱恩佳博体育的学生们整个夏天都在制造气溶胶，他们将提取这些气溶胶，并将其与棕色碳分子和云水混合。目标是制造和研究真实世界脏云的合成版本。奥布莱恩说：“许多棕色碳来自污染物，所以它来自城市中发生的燃烧和反应。”“我们不明白的是它的命运，它在大气中的寿命。简而言之，我们想知道这些物质被阳光破坏的速度有多快，以及它们被破坏时会发生什么。”基德威尔的佳博体育将使用同样的棕色碳样本来研究分子在暴露在阳光下是如何分解的。他解释说，他们还在努力了解棕色碳发色团的基本特性，这使气溶胶的光吸收特性得到增强。他们的工具包括一系列激光，这些激光被调谐以模仿太阳发射的精确频率。为了获得尽可能高的精度，他们在气相中对样品进行电击。“我们有这些分子，我们知道它们在大气中分解，”基德威尔说。“当它们吸收可见光时，就会发生一些事情。它们可以破坏化学键生成新产物，这些新产物可以继续进行进一步的化学反应。我们正在做的是有效地绘制这些分子如何分裂的路线。”分子分解的方式不同，这取决于它们所处的相。当阳光照射到气相的棕色碳时，分子吸收太阳辐射并形成自由基，即带有未配对电子的分子。
自由基的反应性很强，因为它们会配对或失去多余的电子。这种电子寻宝活动导致自由基进一步氧化大气中的其他有机分子，并产生一连串的化学反应。基德威尔说：“羟基自由基是我们正在关注的一个重要因素。”这种分子由一个氢原子和一个氧原子组成，是地球上最活跃的分子之一。事实上，它通常被称为“大气中的洗涤剂”。“它的反应性非常强，如果它碰到一个分子，就会立即发生化学反应。”基德维尔关注的还有很多激进分子。他最近接受了美国化学学会石油研究基金的资助，研究涉及一氧化氮自由基和氧等环境分子的化学反应。
他说：“这种化学物质对模拟大气和燃烧过程非常重要。”虽然棕色碳可能以气体的形式进入大气，但它并不总是保持这种状态。棕色碳通常溶解在云水滴中，使其变成液体，也被称为凝聚态。这就是奥布莱恩的用武之地。她专门研究气溶胶，这是云的核心组成部分。“大气中的每一片云，每一滴都有一个气溶胶种子，”奥布莱恩说。“如果没有气溶胶，我们就无法在大气中形成云核，因此了解云滴中的物质形式可能会有所帮助。”奥布莱恩解释说，在凝聚态，棕色碳捕获阳光并升温，使云滴蒸发，并与其他凝聚态有机物质发生二次反应。由于关于棕碳在缩合阶段的数据很少，她对这种分子在阳光下分解时会产生什么样的化学物质的预测犹豫不决。“我告诉人们我做合成，但事实是我并没有试图控制我的产品，”奥布莱恩说。“我们就随它去吧。”到目前为止，放任自流的效果还不错。奥布莱恩即将进入威廉玛丽大学的第一年，她最近获得了美国国家科学基金会的资助，用于将气溶胶测量与卫星数据相结合。她是一个国际研究团队的成员，该团队致力于将太空图像数据与地面空气质量数据相结合。
“气溶胶是全球过早死亡的主要原因，”奥布莱恩说。“问题是，我们没有测量到有多少，特别是在那些非常重要的地方。”奥布莱恩将在她的佳博体育里分析来自世界各地的空气样本，借助新安装的轨道rap质谱仪。该仪器捕获离子并将其信号转换为质谱，从而提供样品所含分子的详细化学分析。于洪民（音译）是一名即将升入大三的化学专业学生，他是奥布莱恩在这个项目上的主要合作者之一。她整个夏天都在梳理质谱仪产生的数据。于在上海长大，亲眼目睹了空气污染对环境的影响。当她进入威廉玛丽大学时，她知道她想专注于大气科学。“我们在这里做的工作非常重要，”余说。“这不仅对我们至关重要，对下一代也至关重要。我所做的是有意义的，不仅对科学，而且对人类。”
