为什么化学家们要观察光从内部摧毁微小的空气颗粒

当你从窗户往外看或头顶往上看时，你可能会注意到巨大的云层或大量的空气。科学家也注意到了这一点；像空气和云这样的大团物质是他们用来监测地球大气的模型的焦点。

在蓝天映衬下，很容易忽略那些飘浮的微小液滴或固体颗粒——也就是气溶胶。虽然它们通常看不见，但它们对大气的运作至关重要。你周围的每一片空气都充满了数百种气溶胶。它们可能是长出云朵的种子。或者它们可能聚集在一起形成令人窒息的城市雾霾。

气溶胶仍然是地球大气中了解最少的方面之一，但很明显，它们不会毫无后果地在大气中飘荡。当太阳驱动携带气溶胶的风时，它的光也会将它们分解。此外，光线可以像穿过透镜一样穿过气溶胶，从而加速破坏过程。

科学家首次详细观察了最后一种效应，正如他们在 4 月 15 日发表在《科学》杂志上的一篇论文中所报告的那样。这些过程——阳光如何影响和分解气溶胶——对于了解污染如何发挥作用至关重要。

这一过程对气溶胶的化学性质有重大影响，“并且粒子中某些部分的反应可能比其他部分发生得更快”，瑞士苏黎世联邦理工学院化学家、 《科学》杂志这篇论文的作者之一 Pablo Corral Arroyo 说。

您可能知道气溶胶是传播冠状病毒的媒介——但这只是其中一种亚型。90% 的气溶胶都是天然的，如海盐和火山灰，是由人类出现之前就已存在的过程产生的。但其他的则是我们的错：汽车尾气、燃烧植物材料产生的烟尘以及机器扬起的灰尘。

研究气溶胶并非新鲜事。特别是，科学家们知道阳光可以通过破坏和收缩气溶胶来分解气溶胶。光线——尤其是太阳的紫外线——会破坏将这些分子结合在一起的化学键。这可能会导致气溶胶变小或其内容物分解成其他物质。

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但直到现在，科学家才开始明白气溶胶的行为方式微妙，影响巨大。“我们必须小心处理漂浮在空气中的微小物体。不能仅仅将其视为与大量水或大量液体相似的东西，”法国里昂第一大学大气化学家克里斯蒂安·乔治 (Christian George) 表示，他不是研究团队成员。

例如，科学家们现在才明白，粒子的作用就像透镜，会放大穿过它的光。如果气溶胶是由某些材料制成的，这种衰减也会加速。科学家们知道这种情况会发生：在之前的实验中，他们用光捕获了含有染料的小颗粒，并观察它们分解。他们发现，随着颗粒变小，染料衰减得更快。

但试图观察这种效应是如何发生的，试图观察液滴内部并观察加速反应的进展，是很困难的。粒子必须大小合适才能看到内部：太大，工具就无法看到它——即使像这些研究人员那样使用 X 射线显微镜。太小，化学成分的差异太小，无法看到。

为了观察可见的东西，这些研究人员使用了一种名为柠檬酸铁（III）的化学物质。它存在于大气中，特别是靠近地面的地方。但研究人员主要选择它是因为当它在阳光下发生反应时，它会降解成另一种名为柠檬酸铁（II）的化学物质，这种反应很容易看到，但前提是你能仔细观察。

Corral Arroyo 和他的同事连续数小时用紫外线照射三价铁粒子。同时，他们用 X 射线显微镜仔细观察这些粒子。X 射线使他们能够看到单个粒子（宽度不到人类头发的百分之一）的哪些部分在发生反应以及何时发生反应。

Corral Arroyo 说：“这才让我们能够追踪粒子不同部分的化学成分。”

既然他们已经看到光如何从内部降解颗粒，化学家们可能会尝试弄清楚光在不同类型气溶胶中的行为。并非所有颗粒和液滴在阳光下沐浴和分解时都是一样的。燃烧木炭产生的黑碳烟和其他深色颗粒往往会吸收光，而不是让光在内部扩散。

另一方面，海盐和许多有机气溶胶将经历加速反应。了解颗粒中发生这种情况对科学家用来了解污染行为的模型具有重大影响。

Corral Arroyo 表示：“如果你真的想要建立精确的模型，你就需要考虑这些影响。否则，你的模型就无法正常工作。”

事实上，目前大多数大气模型主要关注的是大团空气或水。“这篇论文真正表明的是，我们无法按照目前的做法继续下去，”乔治说。如果这些影响很重要——研究作者也说它们很重要——那么这表明那些对从天气预报到理解气候变化等所有事物都至关重要的模型是不完整的。