Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà nghiên cứu của Đại học Colorado Boulder đứng đầu đã bẻ khóa mã hóa học thúc đẩy sự hình thành các hạt iốt trong khí quyển, tiết lộ cách nguyên tố này góp phần làm tăng độ che phủ của mây và làm cạn kiệt các phân tử trong tầng ôzôn bảo vệ Trái đất.
Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất thế giới, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), đã được công bố hôm nay trên tạp chíNature Chemistry.
>> Tham khảo: AI biến tín hiệu điện tâm đồ của đồng hồ thông minh thành công cụ chẩn đoán bệnh suy tim.
Đây là lần đầu tiên bất kỳ thí nghiệm nào trên thế giới chứng minh cơ chế hình thành dạng pha khí của iốt – được gọi là axit iodic – và cho thấy nó có vai trò xúc tác trong sự hình thành hạt khí quyển.
Nó đến vào thời điểm mà lượng i-ốt trong khí quyển đang gia tăng trên toàn cầu, với mức hiện tại gấp ba lần so với 70 năm trước.
Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng kiến thức mới về tương tác khí quyển của iốt này có thể được bổ sung vào các mô hình khí quyển và khí hậu toàn cầu để giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về tác động môi trường của nó – chẳng hạn như độ che phủ của mây tăng lên, có thể làm trầm trọng thêm tình trạng băng biển Bắc Cực mỏng đi do sự nóng lên toàn cầu.
Rainer Volkamer, đồng tác giả chính của bài báo, giáo sư hóa học tại CU Boulder, cho biết: “Bài báo này thiết lập mối liên hệ giữa các nguồn iốt, cách chúng được thải vào khí quyển và sự hình thành hạt, thông qua sự phát triển tiếp theo, tạo ra các đám mây”. và nghiên cứu sinh tại Viện Hợp tác Nghiên cứu Khoa học Môi trường (CIRES).
>> Tham khảo: Hiểu biết về xeri có thể giúp nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện.
“Liên kết đó không tồn tại trước đây và bây giờ chúng tôi đã thiết lập liên kết đó ở cấp độ phân tử.”
Mối liên hệ giữa các nguồn iốt và sự hình thành hạt trong khí quyển là một quá trình gồm nhiều bước. Đầu tiên các gốc oxit iốt liên kết với chính chúng, sau đó phản ứng với ozone và nước để tạo ra axit iodic, với oxy (đơn lẻ) và axit hypoiodous là đồng sản phẩm.
Iốt là một nguyên tố phổ biến và có tính phản ứng cao, tạo thành các loại gốc tự do trải qua các phản ứng hóa học nhanh chóng kéo dài từ vài giây đến vài phút trong khí quyển. Hầu hết i-ốt được tìm thấy trong khí quyển đến từ đại dương — nơi nó tồn tại dưới dạng i-ốt, cũng có trong muối ăn.
Sự gia tăng gấp ba lần của nó trong bầu khí quyển trong hơn 70 năm qua có liên quan đến sự gia tăng ô nhiễm không khí do con người gây ra: do ôzôn ở tầng mặt đất có hại phản ứng với iốt có trong đại dương, nó giải phóng khí iốt dễ bay hơi vào khí quyển.
Mặc dù iốt đã được nghiên cứu trong 150 năm, nhưng chỉ trong hai thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu như Volkamer mới tiết lộ vai trò quan trọng của nó trong bầu khí quyển. Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu của Volkamer và CU Boulder và CIRES đã công bố nghiên cứu cho thấy cách iốt đến tầng bình lưu và ăn mòn tầng ôzôn bảo vệ hành tinh khỏi bức xạ tia cực tím có hại.
Volkamer nói: “Iốt là đứa trẻ mới trong khối, trong số các halogen khác, đóng vai trò trong việc phục hồi tầng ôzôn.
KHÁM PHÁ các quá trình hóa học
Để nghiên cứu liên kết còn thiếu này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang CERN, nơi có các điều kiện nguyên sơ cần thiết để quan sát và thu thập dữ liệu về các hạt này.
Tại đây, một thí nghiệm được gọi là CLOUD (Vũ trụ rời khỏi các giọt nước ngoài trời) đã trở thành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hàng đầu thế giới để nghiên cứu các khía cạnh còn chưa được hiểu rõ của sol khí và sự hình thành mây.
Nhóm nghiên cứu của Volkamer, Phòng thí nghiệm Quang phổ Phân tử Dấu vết Khí quyển (ATMOSpec), là một trong ba trường đại học duy nhất ở Hoa Kỳ (cùng với Đại học Caltech và Carnegie Mellon), là một phần của sự hợp tác này, cùng với 16 đối tác châu Âu.
“Đây là thí nghiệm duy nhất tồn tại trên thế giới,” Volkamer nói. “Thật vinh dự khi được là một phần của sự hợp tác và được dẫn dắt nó trong bối cảnh của một nghiên cứu như thế này.”
Trong buồng CLOUD tại CERN, các nhà nghiên cứu được tiếp cận với môi trường phòng thí nghiệm với khả năng kiểm soát hoàn hảo các điều kiện như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, nồng độ ôzôn và nồng độ iốt, cũng như tiếp cận với các nguồn sáng khác nhau giống như các khía cạnh khác nhau của quang phổ mặt trời.
Bằng cách thiết lập bầu không khí nhân tạo trong nhà này, nơi các phản ứng nhất định có thể xảy ra hoặc không xảy ra, các nhà khoa học có thể thu thập chính xác dữ liệu về các phản ứng hóa học iốt hình thành và phát triển các hạt.
>> Tham khảo: Mối quan hệ giữa khu vực con người sinh sống và sự tích tụ hạt vi nhựa ở các dòng sông.
Theo Kurten, đồng tác giả chính của nghiên cứu và giáo sư hóa học tại Đại học Helsinki, cho biết: “Đây là một ví dụ tuyệt vời về các thí nghiệm và tính toán kết hợp với nhau để trả lời một câu hỏi mà không ai trong số họ có thể tự mình trả lời.
Để xác định xem những gì họ quan sát được trong phòng thí nghiệm có được chuyển thành thế giới thực hay không, họ cũng đã kiểm tra những phát hiện của mình trong không khí xung quanh đài quan sát Maïdo trên đảo Réunion ở nam Ấn Độ Dương — một địa điểm xa xôi không có nhiều ảnh hưởng của hoạt động con người – – và đã có thể chứng thực kết quả phòng thí nghiệm của họ.
Vai trò xúc tác đối với khí hậu
Không giống như các nguyên tố khác như lưu huỳnh (hoặc axit sunfuric), iốt không cần sự trợ giúp của các phân tử khác (được gọi là “bazơ”) để tạo thành các hạt khí quyển. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng nó cũng khá hiệu quả trong quá trình này so với các yếu tố khác.
Do đó, sự hình thành các hạt từ axit i-ốt không chỉ giới hạn ở các điểm nóng i-ốt ven biển, hoặc các vị trí có sẵn các bazơ hóa học này, mà có thể xảy ra trong toàn bộ bầu khí quyển.
Henning Finkenzeller, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, một phần của luận án của ông tại CU Boulder, cho biết: “Đó là một hiện tượng toàn cầu và ý nghĩa toàn cầu của iốt trong sự hình thành hạt có thể lớn hơn những gì chúng ta nghĩ hiện nay.
Finkenzeller cho biết, về cơ bản, iốt cũng khác với các chất hơi hình thành hạt khác vì khả năng khởi động quá trình hình thành các hạt trong khí quyển và thực tế là một nguyên tử iốt có thể khởi động quá trình này nhiều lần.
Vai trò xúc tác trong việc hình thành hạt này giúp tăng cường tác dụng của nó trong bầu khí quyển ở bất cứ nơi nào nó đi qua, cho dù vai trò đó là loại bỏ các phân tử ôzôn bảo vệ hay tăng độ che phủ của mây.
Khi hoạt động của con người làm tăng lượng i-ốt sẵn có trong khí quyển, do những tác động tiêu cực của chúng ta đối với chất lượng không khí trên toàn thế giới, tác động của nguyên tố tồn tại trong thời gian ngắn này có thể kéo dài.
>> Tham khảo: Sự phát triển của u xơ tử cung được kích hoạt bởi phthalates.
Khi băng biển tan chảy ở Bắc Cực, nhiều i-ốt hơn có thể xâm nhập vào bầu khí quyển, làm tăng độ che phủ của mây và tăng hiệu ứng ấm lên trong khu vực. Và ở vùng nhiệt đới, các cơn bão có thể đưa lượng i-ốt này lên cao vào bầu khí quyển, nơi nó tác động đến tầng ôzôn bảo vệ của chúng ta.
“Chúng ta vẫn cần hiểu rõ hơn về hóa học tái chế i-ốt. Nhưng giờ đây chúng ta đã hiểu cơ chế nguồn gốc, chúng ta đang tiến một bước gần hơn đến việc hiểu mức độ ảnh hưởng của i-ốt dư thừa đến sự hình thành hạt, mây và phục hồi ô-zôn trong bầu khí quyển của hành tinh chúng ta”, Volkamer nói.
