Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68095510.31857/S0207401X24100089Химическая физика атмосферных явленийResearch ArticleMechanism of nitrate formation in atmospheric haze particlesreОбразование нитратов в частицах атмосферной дымкиPronchevG. B.ПрончевГ. Б.
Russian Federation
pronchev@rambler.ruYermakovA. N.ЕрмаковА. Н.
Russian Federation
pronchev@rambler.ruSemenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of SciencesФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук151020244310899929052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/680955

The paper considers data on winter monitoring of the ionic composition of aerosol particles and small gas components in the surface atmosphere of Antwerp and Beijing. According to the results of their comparison, it is shown that the rapid accumulation of NO3- over Beijing in haze particles is triggered by a liquid-phase catalytic reaction of sulfate formation involving Mn/Fe ions, which proceeds in a fast degenerate branched mode. The cycle of these transformations is accompanied by the associated production of nitrate radicals in the particles. Their release into the gas phase leads to an increase in the concentration of N2O5 molecules, and a rapid accumulation of nitrates. The coupling of the catalytic (petrochemical) conversion of sulfur dioxide into sulfates and the nitrate production process over Beijing thus plays a crucial role in the formation of the mineral composition of haze particles in the atmosphere.

В работе рассматриваются данные мониторинга в зимнее время ионного состава аэрозольных частиц и малых газовых составляющих в приземной атмосфере Антверпена и Пекина. По результатам их сравнения показано, что быстрое накопление NO3- над Пекином в частицах дымки происходит в результате жидкофазной каталитической реакции образования сульфатов с участием ионов Mn/Fe, протекающей в быстром вырожденно-разветвленном режиме. Цикл этих превращений сопровождается в частицах попутной наработкой нитратных радикалов. Их выход в газовую фазу приводит к увеличению концентрации молекул N2O5 и быстрому накоплению нитратов. Сопряжение процессов каталитической (не фотохимической) конверсии диоксида серы в сульфаты и наработки нитратов над Пекином играет, таким образом, решающую роль в формировании минерального состава частиц дымки в атмосфере.

aerosolhazenitratesandsulfatescatalysisdegenerate-branchedmodetransitionmetalionsаэрозольная дымканитраты и сульфатыкатализвырождено-разветвленный режимионы переходных металловГосзадание ФИЦ ХФ РАН им. Н.Н. Семёнова (тема 1.1_2)State assignment of the N.N. Semenov Federal Research Center of Chemistry and Physics of the Russian Academy of Sciences (topic 1.1_2)M.O. Andreae, C.D. Jones, P.M. Cox, Nature. 435(7046), 1187 (2005). https://doi.org/10.1038/nature03671Andreae M.O., Jones C.D., Cox P.M. // Nature. 2005. V. 435. Issue 7046. P. 1187; https://doi.org/10.1038/nature03671J.H. Seinfeld, S.N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics, from Air Pollution to Climate Change (John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, USA, 2016).Seinfeld J. H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics, from Air Pollution to Climate Change. Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley & Sons, 2016.V.V. Zelenov, E.V. Aparina, Russ. J. Phys. Chem. B 16(6), 1182 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122060239Зеленов В.В., Апарина Е.В. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 12. С. 81; https://doi.org/10.31857/S0207401X22120111V.V. Zelenov, E.V. Aparina, Russ. J. Phys. Chem. B 17(1), 234 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123010141Зеленов В.В., Апарина Е.В. // Хим. физика. 2023.Т. 42. № 1. С. 73; https://doi.org/10.31857/S0207401X23010144A.A. Eganov, D.A. Kardonsky, I.V. Sulimenkov, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 17(2), 503 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123020240Еганов А.А., Кардонский Д.А., Сулименков И.В. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 4. С. 81; https://doi.org/10.31857/S0207401X23040064I.K. Larin, G.B. Pronchev, A.N. Yermakov, Russ. J. Phys. Chem. B 18(3), 675 (2024).ЛаринИ.К., Прончев Г.Б., Ермаков А.Н. // Хим. физика. 2024. Т. 43. № 6. С. 64; https://doi.org/10.31857/S0207401X24060074C.M. Clark, D. Tilman, Nature. 451(7179), 712 (2008). https://doi.org/10.1038/nature06503Clark C.M., Tilman D. //Nature. 2008. V. 451. Issue 7179. P. 712, https://doi.org/10.1038/nature06503Q. Zhang, X. Jiang, D. Tong, et al., Nature. 543(7647), 705 (2017). https://doi.org/10.1038/nature21712Zhang Q., Jiang X., Tong D., et al. //Nature. 2017. V. 543. Issue 7647. P.705. https://doi.org/10.1038/nature21712G. H. Wang, R. Y. Zhang, M. E. Gomes, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113(48), 13630 (2016). https://doi.org/10.5194/acp-23-3015-2023Wang G.H., Zhang R.Y., Gomes M.E. et al.// Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016. V. 113. Issue 48. P. 13630; https://doi.org/10.5194/acp-23-3015-2023P. Liu, C. Ye, Ch. Xue, et al., Atmos. Chem. Phys. 20(7), 4153 (2020). https://doi.org/10.5194/acp-20-4153-2020Liu P., Ye C., Xue Ch. et al. // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20 № 7. P. 4153; https://doi.org/10.5194/acp-20-4153-2020G. J. Zheng, F. K. Duan, H. Su, et al., Atmos. Chem. Phys. 15(6), 2969 (2015). https://doi.org/10.5194/acp-15-2969-2015Zheng G.J., Duan F.K., Su H. et al. // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. № 6. P. 2969; https://doi.org/10.5194/acp-15-2969-2015Y. Pan, Y. Wang, J. Zhang, et al., Atmospheric Environment. 141, 197 (2016). https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.06.035Pan Y., WangY., Zhang J. et al. // Atmos. Environ. 2016. V. 141. P. 197; https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.06.035M.-Y. Fan, Y.-L. Zhang, Y.-Ch. Lin, et al., Atmospheric Environment. 212, 96 (2019). https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.05.020Fan M-Y., Zhang Y-L., Lin Y-Ch. et al. // Ibid. 2019. V. 212. P.96; https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.05.020H. Wang, K. Lu, X. Chen, et al., Environ. Sci. Technol. Lett. 4(10), 416(2017). https://doi.org/10.1021/acs.estlett.7b00341Wang H., Lu K., Chen X., et al. // Environ. Sci. Technol. Lett. 2017. V. 4. № 10. P. 416; https://doi.org/10.1021/acs.estlett.7b00341H. Wang, The chemistry of nitrate radical (NO3) and denitrogen pentoxide (N2O5) in Beijing. Springer Theses (Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021).Wang H. The chemistry of nitrate radical (NO3) and denitrogen pentoxide (N2O5) in Beijing. Springer Theses. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2021.Y. Sun, Q. Jiang,Z. Wang, et al., J. Geophys. Res. 119(7), 4380 (2014). https://doi.org/10.1002/2014JD021641Sun Y., Jiang Q.,Wang Z. et al. // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. № 7. P. 4380; https://doi.org/10.1002/2014JD021641G.J. Zheng, F.K. Duan, H. Su, et al., Atmos. Chem. Phys. 15, 2969 (2015). https://doi.org/10.5194/acp-15-2969-2015Zheng G.J., Duan F.K., Su H. et al. // Atmos. Chem. Phys. 2015. V.15. P. 2969; https://doi.org/10.5194/acp-15-2969-2015S.P. Sander, R.R. Friedl, D.M. Golden, et al., Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies. Evaluation Number 15. JPL Publication 06-2(Jet Propulsion Laboratory. Pasadena. CA, 2006).Sander S. P., Friedl R.R., Golden D.M. et al. Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies. Evaluation Number 15. JPL Publication 06-2. Jet Propulsion Laboratory. Pasadena. CA, 2006.A.N. Yermakov, A.E. Aloyan, V.O. Arutyunyan, G. B. Pronchev,Atmos Ocean Opt. 37, (2024). (in press)Ермаков А.Н., Алоян А.Е., Арутюнян В.О., Прончев Г.Б. // Оптика атмосферы и океана. 2023. Т. 36. № 12. С. 975; https://doi.org/10.15372/AOO20231203A.N. Yermakov, Kinet. Catal. 64(1), 74 (2023). https://doi.org/10.1134/S0023158423010019Yermakov A.N. // Kinet. Catal. 2023. V. 64. № 1. P. 74; https://doi.org/10.1134/S0023158423010019R.V. Grieken,Optimization and environmental application of TW-EPMA for single particle analysis (Antwerpen University, Antwerpen, 2005).Grieken R.V. Optimization and environmental application of TW-EPMA for single particle analysis., Antwerpen: Antwerpen University 2005.M. Liu, Y. Song, T. Zhou, et al., Geophys. Res. Lett. 44(10), 5213 (2017). https://doi.org/10.1002/2017GL073210Liu M., Song Y., Zhou T., et al. // Geophys. Res. Lett. 2017. V. 44. № 10. P. 5213; https://doi.org/10.1002/2017GL073210S. E. Schwartz, Gas–aqueous reactions of sulfur and nitrogen oxides in liquid-water clouds // SO2, NO and NO2 Oxidation Mechanisms: Atmospheric Considerations.Ed. by J. G. Calvert (Butterworth, Boston, 1984). p. 173.Schwartz S.E. // SO2, NO and NO2 Oxidation Mechanisms: Atmospheric Considerations. Ed. Calvert, J.G. Butterworth, Boston, 1984. P. 173.M. Z. Jacobsen, A. Tabazadeh, R. P. Turco, J. Geophys. Res. Atm. 101(D4), 9079 (1996). https://doi.org/10.1029/96JD00348Jacobsen M. Z., Tabazadeh A., Turco R.P. // J. Geophys. Res. Atm.1996. V. 101. Issue D4. P. 9079; https://doi.org/10.1029/96JD00348T. Liu, S. L. Clegg, J. P. D. Abbatt, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117(3),1354 (2020). https://doi.org/10.1073/pnas.1916401117Liu T., Clegg S.L., Abbatt J.P.D. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020.V. 117. № 3. P. 1354; https://doi.org/10.1073/pnas.1916401117Y. Cheng, G. Zheng, C. Wei, et al., Sci. Adv. 2(12), e1601530 (2016). https://doi.org/10.1126/sciadv.1601530Cheng Y., Zheng G., Wei C. et al. // Sci. Adv. 2016. V. 2. Issue 12. e1601530; https://doi.org/10.1126/sciadv.1601530H. Herrmann, B. Ervens, H. - W. Jacobi, et al., J. Atmos. Chem. 36(3), 231 (2000). https://doi.org/10.1023/A:1006318622743Herrmann H., Ervens B., Jacobi H.-W. et al. // J. Atmos. Chem. 2000. V. 36. № 3. P. 231; https://doi.org/10.1023/A:1006318622743M. D. Petters, S. M. Kreidenweis, Atmos. Chem. Phys. 7(8), 1961 (2007). https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007Petters M.D., Kreidenweis S.M. // Atmos. Chem. Phys. 2007. V.7. № 8. P.1961; https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007C. Fountoukis, A. Nenes, Atmos. Chem. Phys. 7(17), 4639 (2007). https://doi.org/10.5194/acp-7-4639-2007Fountoukis C., Nenes A. // Ibid. 2007. V. 7. Issue 17. P. 4639; https://doi.org/10.5194/acp-7-4639-2007