Sterk geoxideerde producten van isopreen: atmosferische chemie als drijfveer voor wereldwijde aerosolvorming

Volgens een recent gepubliceerde studie produceren loofbomen, zoals die in het Amazone-regenwoud, jaarlijks ongeveer 4 miljoen ton sterk geoxideerde peroxy radicalen uit isopreen.

Geavanceerde detectiemethoden bieden steeds diepere inzichten in complexe chemische processen in de atmosfeer. Onderzoekers van het Leibniz Instituut voor Troposferisch Onderzoek (TROPOS) in Leipzig hebben in een gedetailleerde productstudie over de oxidatieve afbraak van isopreen in de gasfase een reeks nieuwe productkanalen ontdekt. Dit stelt hen in staat om een beter mechanistisch begrip te krijgen van dit belangrijke proces voor de atmosferische chemie. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Isopreen (C5H8), dat voornamelijk door loofbossen wordt geproduceerd, is een van de belangrijkste niet-methaanverbindingen met een jaarlijkse emissie van ongeveer 600 miljoen ton koolstof die in de atmosfeer vrijkomt. De afbraak van isopreen vindt bijna uitsluitend in de gasfase plaats via reactie met het OH-radicaal, dat wordt beschouwd als een oxidatieve reinigingsmiddel van de atmosfeer. Dit leidt aanvankelijk tot structureel verschillende HO-C5H8O2 peroxy radicalen die met elkaar in evenwicht zijn.

Ondanks hun immense belang zijn de verdere reactiespaden nog niet volledig begrepen. Isopreenreacties domineren de processen in de gasfase, vooral in de tropen, naast die van methaan (CH4) en koolmonoxide (CO).

De experimenten bij TROPOS werden uitgevoerd in een groot flowsysteem bij 1 bar lucht en kamertemperatuur. De reactiebewaking was zo ontworpen dat de productvorming kon worden gecontroleerd voor atmosferische concentraties van de reactieve intermediairen. Hooggevoelige massaspectrometrie werd gebruikt om de vorming van peroxy radicalen en stabiele producten selectief te detecteren. De goede overeenstemming van de resultaten met verschillende ionisatie-schema’s bevestigde de betrouwbaarheid van de bevindingen.

De resultaten van de onderzoeken in het laboratorium in Leipzig kwamen grotendeels overeen met eerdere kennis over de afbraak van isopreen. Echter, enkele C4- en C5-producten en hun vormingspaden werden voor het eerst beschreven. Bijzonder interessant was het traceren van de vorming van sterk geoxideerde peroxy radicalen met de samenstelling C5H9O8 en C5H9O9, die via zogenaamde autoxidatieprocessen op een korte tijdschaal van seconden worden gevormd.

Dit betekent dat de emissies van loofbomen vergelijkbaar zijn met die van coniferen, die een vergelijkbare hoeveelheid sterk geoxideerde peroxy radicalen uit α-pineen produceren. Beide dragen bij aan de vorming van wolken via de vorming van deeltjes.

“De molaire opbrengst van de sterk geoxideerde soorten als functie van concurrerende processen is maximaal 0,3%, wat aanvankelijk verwaarloosbaar lijkt,” zegt Dr. Torsten Berndt van TROPOS, die de experimenten heeft gepland en uitgevoerd. “De enorme emissiesnelheid van isopreen maakt de vorming van C5H9O8 en C5H9O9 echter potentieel erg interessant op een absolute schaal.”

Om de betekenis van deze reactiespaden verder te beoordelen, werden ze geïmplementeerd in een globaal chemie-klimaatmodel. De uitgevoerde modelsimulaties toonden aan dat wereldwijd jaarlijks ongeveer 4 miljoen ton sterk geoxideerde isopreen peroxy radicalen (C5H9O8 en C5H9O9) worden gevormd.

“Interessant genoeg zijn de gemodelleerde productiesnelheden van dezelfde orde van grootte als de vorming van de analoge producten (C10H17O7 en C10H15O8,10) uit de oxidatie van α-pineen. Dit vormingspad werd eerder beschouwd als het belangrijkste proces voor de vorming van sterk geoxideerde gasfaseproducten in de atmosfeer,” voegen de verantwoordelijke wetenschappers voor de globale modellering, Dr. Erik Hoffmann en Dr. Andreas Tilgner, toe.

In een verdere reactie stap reageren de C5H9O8 en C5H9O9 radicalen in de atmosfeer voornamelijk met stikstofoxide (NO) en hydroperoxy radicalen (HO2). De reactie met NO leidt voornamelijk tot de vorming van de overeenkomstige sterk geoxideerde organische nitraten als de chemische C5-structuur behouden blijft. De productvorming in het geval van de reactie met HO2 is nog speculatief en vereist verder onderzoek.

Tot slot benadrukken de wetenschappers dat de nieuwe onderzoeksbevindingen een aantal vragen oproepen. De sterk geoxideerde producten van isopreen zouden invloed kunnen hebben op een verscheidenheid aan processen, zoals de groei van atmosferische aërosoldeeltjes en de vorming van secundaire organische stof. Deze processen zijn nauw verbonden met belangrijke interacties tussen aërosolen en wolken, evenals hun wereldwijde klimaat- en stralingseffecten. Daarom zijn er aanzienlijk meer studies nodig om de betekenis van de nieuwe oxidatiepaden en de resulterende producten voor de atmosfeer adequaat te verduidelijken.