Plante - Animale Analiza stratosfului; ric air l; st R; tsel a balanței de hidrogen în

Cuprins:

Într-un studiu publicat în numărul din 21 august al revistei Nature, o echipă de oameni de știință de la Universitatea din California, Berkeley, Institutul de Tehnologie din California, Centrul Național pentru Cercetări Atmosferice din Boulder, Colorado și UC Irvine fac același lucru Echilibrul Pământului din bugetul hidrogenului, de unde provine și unde curge hidrogenul.

"Un buget echilibrat înseamnă acum că putem fi mai capabili să prezicem ce se va întâmpla atunci când oamenii vor pune cantități uriașe de hidrogen pentru pilele de combustibil în și din atmosferă", a declarat Kristie Boering, profesor de chimie și științe ale pământului și planetelor la UC Berkeley.

Până în prezent, oamenii de știință au crezut că au înțeles cele mai multe surse și chiuvete de hidrogen - unde se produce hidrogenul și cum este absorbit în reacțiile chimice din sol, oceane și atmosferă. Cu toate acestea, două metode diferite de urmărire a hidrogenului au dat rezultate semnificativ diferite.

Oamenii de știință care măsoară concentrațiile de hidrogen au descoperit că cea mai mare chiuvetă de hidrogen se află în sol - microbii metabolizează hidrogenul gazos (H2) pentru energie, eliminând hidrogenul din aer, unde este unul dintre cele mai abundente urme de gaze după metan.

Cei care urmăresc evoluția hidrogenului prin cantitățile relative de doi dintre izotopii săi - hidrogenul standard, care are un singur proton în nucleul său și deuteriul care are un neutron suplimentar în nucleul său - au primit un răspuns diferit. Datele par să sugereze că chiuveta principală este reacția hidrogenului gazos din atmosferă cu radicalii OH care „curăță” atmosfera multor gaze reactive.

Ceea ce i-a condus pe mulți oameni de știință la această concluzie finală a fost acumularea semnificativă de deuteriu în H2 sau hidrogen molecular în atmosfera din apropierea suprafeței pământului. Deuteriul, care este doar o zecime din mișcare la fel de comun pe pământ ca hidrogenul, este cu 12% mai îmbogățit cu H2 în atmosferă decât apa (H2O) din oceane. Mulți ani s-a crezut că nicio sursă sau chiuvetă pentru hidrogen, în afară de reacția cu radicalii OH din atmosferă, nu ar putea produce marea îmbogățire a deuteriului observată.

Boering al UC Berkeley, specializat în analiza izotopilor gazelor cu efect de seră, a decis să caute un răspuns la această enigmă în atmosfera superioară sau în stratosferă. Stratosfera se extinde între 10 și 50 de kilometri deasupra suprafeței și conține stratul de ozon, care protejează pământul de razele ultraviolete. H2 stratosferic este extrem de îmbogățit în deuteriu, îmbogățirea fiind cu până la 32 la sută mai mare decât în H2 lângă suprafața pământului.

„Hidrogenul din stratosferă este cel mai îmbogățit izotop de pe pământ, împreună cu compușii din meteoriți neobișnuiți”, a spus Boering. „Aceste prime măsurători în stratosferă - departe de microbii solului și de sursele de suprafață, cum ar fi arderea combustibililor fosili - ne-au făcut posibil să investigăm modul în care deuteriul este îmbogățit sau epuizat numai prin procese din atmosferă.”

Probele aerului stratosferic au fost preluate de un avion spion U-2 modificat, un ER-2, operat de NASA. Aproape 500 de probe de aer au fost obținute pe zboruri care datează din 1996.

Analiza lor izotopică a arătat că îmbogățirea extremă cu deuteriu observată în H2 stratosferic nu se datorează numai îmbogățirii deuteriului prin distrugerea H2 în reacția cu OH, ci și unei îmbogățiri cu deuteriu în seria reacțiilor chimice în care metanul (CH4) este oxidat H2 a produce. În ambele cazuri, reacțiile care implică deuteriu se desfășoară la o rată diferită de cele care implică hidrogen, rezultând produse cu un raport deuteriu/hidrogen diferit de raportul din substanțele chimice care reacționează.

„Bugetul global de hidrogen din atmosferă a fost un mister pentru o vreme, deoarece oamenii nu au reușit să realizeze că acumularea de deuteriu în H2 atmosferic s-ar putea datora sursei de metan", a spus Boering. „Măsurătorile noastre rezolvă această problemă și arată că ceea ce este produs de oxidarea metanului H2 produce H2 destul de îmbogățit și ajută la echilibrarea bugetului H2. "

Când aceste noi date sunt combinate cu raporturile cunoscute deuteriu-hidrogen ale altor reacții care implică absorbția de hidrogen de către H2 de către microbii din sol și ocean și producția prin combustie incompletă a combustibililor fosili, arderea biomasei și producția de către microbi - sursele și soldul scade în cele din urmă, a spus Boering.

„Măsurătorile și analizele noastre reprezintă un pas înainte în înțelegerea bugetului H2, deoarece acestea ajută la rezolvarea discrepanței dintre bugetul derivat din măsurătorile concentrației H2 și bugetul derivat din măsurătorile izotopului H2”, a spus ea.

Analiza lui Boering a fost posibilă datorită dezvoltării unei noi tehnici de către geochimistul Caltech John Eiler care a măsurat rapoartele izotopilor folosind doar 50-100 mililitri de aer - mai puțin de jumătate de cană - în loc de volumul aproximativ de 4.000 de litri necesar anterior pentru un rezervor mare de propan acasa. Obținerea aerului stratosferic în cantități atât de mari ar fi dificilă, a spus Boering. Tehnica lui Eiler implică spectrometria de masă pentru a separa diferiți izotopi pe baza diferențelor lor mici de greutate.

Printre coautori ai articolului se numără Eiler de la Caltech și cercetătorul postdoctoral Thom Rahn, care lucrează în prezent la Laboratorul Național Los Alamos. Michael McCarthy, doctorand la Universitatea California din Berkeley; și colegii de la Centrul Național pentru Cercetări Atmosferice și UC Irvine.

Cercetarea lui Boering este susținută de Fundația Națională pentru Științe, Fundația David și Lucile Packard și Programul de Cercetare pentru Atmosfera Superioară a NASA.