Химическая сигнатура водяного пара, испускаемого источниками горения, такими как транспортные средства и печи, была обнаружена в задымленных зимних инверсиях, которые часто задыхаются в Солт-Лейк-Сити. Открытие может дать исследователям новый инструмент для отслеживания источников загрязняющих веществ и изменяющего климат углекислого газа.
Ученые из Университета Юты измерили соотношение редких и распространенных изотопов водорода и кислорода в воде и подсчитали, что водяной пар от сжигания ископаемого топлива составляет до 13 процентов водяного пара в смоге во время зимних инверсий Солт-Лейк-Сити., причем процент начинается с меньшего значения и увеличивается по мере сохранения инверсии.
«Вероятно, двумя крупнейшими источниками являются автомобили и домашнее отопление», - говорит геохимик Гейб Боуэн, старший автор исследования, опубликованного онлайн в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences за эту неделю.
«В дни инверсии мы видим периоды с особенно высоким уровнем содержания воды в воздухе, например, сразу после утренних и вечерних часов пик. Утро более выражено», - говорит он. «Другое происходит ночью, когда мы видим постоянно высокие уровни, скорее всего, связанные с отоплением дома. Мы знаем, что вода образуется в результате сжигания ископаемого топлива, потому что ее концентрация повышается и падает вместе с уровнями углекислого газа, выделяемого при сжигании топлива».
И водяной пар в застойных, задымленных зимних инверсиях Солт-Лейк-Сити «способствует «холоду», который мы чувствуем во время этих событий, и, вероятно, также образованию инея и обледенению дорог», - говорит Боуэн, доцент Университета Юты. геология и геофизика.
Он говорит, что вода от сжигания ископаемого топлива «является пока недокументированным аспектом выбросов в окружающую среду во время инверсионного сезона», и исследование предоставляет новый инструмент для измерения того, сколько воды добавляется в атмосферу при сжигании топлива в автомобили, печи, промышленность и другие источники.
«Новый подход может помочь исследователям отслеживать источники выбросов парниковых газов в городах и изучать влияние воды, образующейся при сжигании, на городскую погоду, качество жизни и химический состав атмосферы», - говорится в исследовании.
Боуэн говорит, что новый метод измерения источников сжигания воды в городском воздухе «находится на ранней стадии. У нас есть много идей о возможных применениях».
В исследовании не измерялось, сколько водяного пара поступает из транспортных средств по сравнению с печами. Но «мы надеемся, что сможем различать выбросы из разных источников по их вкладу в воду в атмосфере над городом», - добавляет он.
Исследователи также надеются применить свой метод для измерения выбросов парниковых газов от дровяных печей или промышленных источников сжигания, которые производят водяной пар, и «мы могли бы использовать его для изучения эффективности сгорания - для диагностики горения проблемы в автомобильных двигателях или промышленных процессах», - говорит Боуэн.
Водяной пар делает инверсии холодными и влажными
Боуэн провел исследование Университета Юты с техническими специалистами Галеном Горски и Райаном Баресом; Кортни Стронг, доцент кафедры атмосферных наук; Стивен Гуд, исследователь с докторской степенью в области геологии и геофизики; и Джеймс Элерингер, выдающийся профессор биологии. Финансирование поступило от Национального научного фонда, Министерства энергетики США и Национального управления океанических и атмосферных исследований.
Исследование касалось водяного пара в «пограничном слое» - холодном, задымленном слое от земли до слоя более теплого воздуха, который закрывает и удерживает инверсию.
Боуэн говорит, что водяной пар от сжигания топлива «не так страшен, как другие вещества, которые выходят из наших выхлопных труб. Но во время этих инверсий он влияет на окружающую среду».
«Во многих или большинстве случаев инверсии влажность увеличивается в нижних слоях атмосферы, что способствует формированию видимой температуры и ночного инея», - добавляет он. «Эти события кажутся серыми, мрачными и влажными по сравнению с остальной частью нашей зимы. Частично причина в том, что выделяемая при горении вода задерживается в пограничном слое на поверхности».
Кокаин, эволюция, убийство - а теперь водяной пар
Новое исследование представляет собой новейшее использование для анализа стабильных изотопов, метода, который рассматривает соотношение редкого и обычного веса или изотопов таких элементов, как водород, углерод, кислород и азот. Изотопы стабильны; они не распадаются радиоактивно.
Исследователи из Университета Юты использовали этот метод, чтобы определить источники кокаина и фальшивой валюты, диеты ранних предков человека и маршруты, по которым путешествовали слоны в Африке, и даже помочь идентифицировать жертву убийства на основе изотопного анализа. или волосы, которые указывали полиции на район, где жила жертва.
В природной воде отношение более тяжелого, редкого кислорода-18 к более легкому, обычному кислороду-16 низкое, потому что более тяжелый изотоп выпадает первым, когда ливни перемещаются вглубь суши. То же самое относится и к дейтерию, редкому водороду-2, по сравнению с обычным изотопом, водородом-1.
Вода, полученная в результате сжигания или горения, отличается. Соотношение водорода-2 к водороду-1 очень низкое, потому что водород в топливе поступает от древних растений и микробов, которые предпочитали водород-1. Но соотношение кислорода-18 к кислороду-16 намного выше по сравнению с природной водой. Это связано с тем, что при сжигании топлива используется кислород воздуха - кислород, вырабатываемый листьями растений, из которых более тяжелый кислород-18 испаряется медленнее, чем более легкий кислород-16.
Боуэн и его коллеги использовали эту необычную характеристику для разработки шкалы, по которой они могут оценить количество паров, образующихся в результате сгорания, в любой пробе воздуха. Этот подход лучше всего работает при инверсиях зимой в штате Юта, но исследователи полагают, что они также могут обнаружить воду в результате сгорания с помощью тщательных измерений в периоды без инверсий.
С 3 декабря 2013 г. по 31 января 2014 г. - период с четырьмя инверсиями - Боуэн и его коллеги измеряли концентрацию углекислого газа и водяного пара, а также соотношение изотопов водяного пара в среднем каждые пять минут. Они обнаружили, что количество водяного пара при горении в воздухе тесно связано с количеством углекислого газа. Во время каждой инверсии оба увеличивались. Во время трех инверсий оба газа выровнялись или упали, когда инверсии немного смешались с более чистым воздухом.
Горючий водяной пар и углекислый газ росли с 7 до 10 утра из-за пробок, начали снижаться в 10:30, затем росли во время вечернего пика, достигая пика к 8 вечера. и оставался на одном уровне до полуночи, пока работали печи. Уровни пара и газа упали к 3 часам ночи из-за ветров каньона, а также из-за того, что роса и иней уменьшили количество воды в воздухе.
Исследователи оценили изотопный состав кислорода и водорода в воде, образовавшейся в результате сжигания природного газа и бензина, подтвердив свои оценки по бензину, проверив воду из выхлопных труб неэффективного старого внедорожника и более молодого, более экономичного седана.
Они рассчитали, сколько воды из выхлопных труб нужно добавить в воздух, чтобы получить уровни, наблюдаемые в воздухе во время инверсий. По их консервативным оценкам, до 13 процентов водяного пара в инверсиях образуется в результате сжигания топлива. Это большой процент, учитывая, что вода для сжигания составляет всего 0,004 процента глобального водного цикла.
Соавтор Стронг создал компьютерную модель для моделирования того, как вода попадает в инверсию Солт-Лейк-Сити из-за ветра, дождя, снега и выбросов продуктов сгорания, а также как они влияют на влажность воздуха. Модель предсказывала то, что видели исследователи, в том числе ежедневные модели дорожного движения и водяного пара в печи.
Пик количества водяного пара при сжигании в течение ночного периода обогрева дома был примерно вдвое меньше, чем в утренние и вечерние часы пик, в основном потому, что современные печи конденсируют воду при отводе тепла.
«Мы могли бы использовать этот новый инструмент, чтобы понять, откуда берутся выбросы углекислого газа», - говорит Боуэн.«Выбросы углекислого газа из разных источников будут производить разное количество водяного пара». То же самое можно сказать и о других загрязнителях продуктов сгорания, таких как мелкие частицы и оксиды азота, что в конечном итоге позволит использовать водяной пар для лучшего отслеживания их источников.