La amplificación de la luz acelera las reacciones químicas en los aerosoles

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Los aerosoles en la atmósfera reaccionan a la luz solar incidente. Esta luz se amplifica en el interior de las gotas y partículas del aerosol, acelerando las reacciones. Los investigadores de ETH ahora han podido demostrar y cuantificar este efecto y recomendar que se tenga en cuenta en futuros modelos climáticos.

Las gotas de líquido y las partículas muy finas pueden atrapar la luz, de forma similar a como la luz puede quedar atrapada entre dos espejos. Como resultado, se amplifica la intensidad de la luz en su interior. Esto también sucede en gotas de agua muy finas y partículas sólidas en nuestra atmósfera, es decir, aerosoles. Utilizando microscopía de rayos X moderna, los químicos de ETH Zurich y el Instituto Paul Scherrer (PSI) ahora han investigado cómo la amplificación de luz afecta los procesos fotoquímicos que tienen lugar en los aerosoles. Pudieron demostrar que la amplificación de la luz hace que estos procesos químicos sean dos o tres veces más rápidos en promedio de lo que serían sin este efecto.

Usando la fuente de luz suiza en el PSI, los investigadores estudiaron aerosoles que consisten en pequeñas partículas de citrato de hierro (III). La exposición a la luz reduce este compuesto a citrato de hierro (II). La microscopía de rayos X permite distinguir áreas dentro de las partículas de aerosol compuestas por citrato de hierro (III) de aquellas compuestas por citrato de hierro (II) con una precisión de 25 nanómetros. De esta forma, los científicos pudieron observar y mapear en alta resolución la secuencia temporal de esta reacción fotoquímica en partículas de aerosol individuales.

Deterioro por exposición a la luz

“Para nosotros, el citrato de hierro (III) era un compuesto representativo que era fácil de estudiar con nuestro método”, dice Pablo Corral Arroyo, postdoctorado en el grupo encabezado por la profesora ETH Ruth Signorell y autora principal del estudio. El citrato de hierro (III) sustituye a toda una gama de otros compuestos químicos que pueden aparecer en los aerosoles de la atmósfera. Muchos compuestos orgánicos e inorgánicos son sensibles a la luz y, cuando se exponen a la luz, pueden descomponerse en moléculas más pequeñas, que pueden ser gaseosas y, por lo tanto, escapar. “Las partículas de aerosol pierden masa de esta manera, cambiando sus propiedades”, explica Signorell. Entre otras cosas, dispersan la luz solar de manera diferente, lo que afecta los fenómenos meteorológicos y climáticos. Además, cambian sus características como núcleos de condensación en la formación de nubes.

Como tal, los resultados también tienen un efecto en la investigación climática. “Los modelos informáticos actuales de la química atmosférica global aún no tienen en cuenta este efecto de amplificación de la luz”, dice el profesor ETH Signorell. Los investigadores sugieren incorporar el efecto en estos modelos en el futuro.

Tiempos de reacción no uniformes en las partículas.

Ahora mapeada y cuantificada con precisión, la amplificación de la luz en las partículas se produce a través de efectos de resonancia. La intensidad de la luz es mayor en el lado de la partícula opuesto al que está brillando la luz. “En este hotspot, las reacciones fotoquímicas son hasta diez veces más rápidas de lo que serían sin el efecto de resonancia”, dice Corral Arroyo. Promediado sobre toda la partícula, esto da una aceleración por el factor mencionado anteriormente de dos a tres. Las reacciones fotoquímicas en la atmósfera suelen durar varias horas o incluso días.

Usando los datos de su experimento, los investigadores pudieron crear un modelo de computadora para estimar el efecto en una variedad de otras reacciones fotoquímicas de los aerosoles típicos en la atmósfera. Resultó que el efecto no afecta solo a las partículas de citrato de hierro (III), sino a todos los aerosoles (partículas o gotitas) hechos de compuestos que pueden reaccionar con la luz. Y estas reacciones también son dos o tres veces más rápidas en promedio.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por ETH Zúrich. Original escrito por Fabio Bergamin. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.

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