تعزيز التشكّل متعدد الأطوار للنتريتات والكبريتات المدفوع بـ NO2 تحت ظروف رطوبة عالية

لماذا يمكن أن تبقى الهواء ملوثًا رغم الرطوبة

يتخيل كثير من الناس أن الطقس الرطب والضبابي يساعد على تنظيف الهواء، ويغسل التلوث من السماء. لكن في جنوب الصين يحدث العكس غالبًا: عندما يلتقي الهواء البحري الدافئ والرطب مع هواء داخلي أبرد، يتكون ضباب كثيف رغم ضعف عوامل التنقية الجوية التقليدية. تشرح هذه الدراسة السبب، كاشفة كيف أن ملوثًا شائعًا من حركة المرور، وهو ثاني أكسيد النيتروجين، يغذي بهدوء التشكّل السريع للجسيمات الدقيقة الضارة عندما يكون الهواء شديد الرطوبة.

هواء لزج فوق مدينة ساحلية

ركز الباحثون على شيامن، مدينة ساحلية في جنوب الصين، خلال أسبوعين في أوائل ربيع 2024. في هذا الوقت من السنة، غالبًا ما يصطدم الهواء البحري الدافئ والرطب بالهواء الداخلي الأبْرد والأشد جفافًا ويتوقف، مكوّنًا جبهات جوية شبه ثابتة. خلال هذه الأحداث ذات الرطوبة العالية، يصبح الهواء راكدًا، وتنخفض سرعات الرياح، وتتشكل طبقة هواء ضحلة فوق المدينة. أظهرت قياسات من محطة رصد على السطح أن مستويات الجسيمات الدقيقة (PM2.5) ارتفعت، وتراجعت الرؤية، وغالبًا ما تشكل الضباب مع صعود الرطوبة. خلال هذه الفترات الضبابية، تغيّر التركيب الكيميائي للجسيمات على مرحلتين واضحين: في البداية سيطر النترات، ثم ارتفع الكبريتات.

مرحلتان من الكيمياء الخفية

في الساعات المبكرة جدًا الرطبة من هذه الأحداث، أصبحت الجسيمات غنية بالنترات، رغم أن الكيمياء التقليدية المدفوعة بضوء الشمس كانت ضعيفة وكانت مستويات الأوزون منخفضة. وجد الفريق أن أفضل تفسير هو امتصاص ثاني أكسيد النيتروجين من حركة المرور ومصادر أخرى مباشرة على أسطح الجسيمات المبللة وعلى أغشية رقيقة من الماء على الأرض. في هذه القطرات المركزة، يتفاعل ثاني أكسيد النيتروجين بسرعة أكبر من تفاعله في الماء العادي، منتجًا كلًا من النترات وشكل نيتروجيني تفاعلي آخر يمكن أن يهرب مرة أخرى إلى الهواء. الارتباط الوثيق بين ثاني أكسيد النيتروجين وماء الهباء ومساحة سطح الجسيمات وصعود النترات اقترح أن هذه العمليات السطحية كانت تهيمن على إنتاج النترات ليلاً.

عندما يحوّل الضباب النيتروجين إلى جسيمات كبريتية

مع ارتفاع الرطوبة أكثر وتكوّن الضباب، تغيرت الكيمياء. بدأت الكبريتات، المتشكلة من ثاني أكسيد الكبريت، في النمو بسرعة وقد تتجاوز النترات أحيانًا. هنا لعب ثاني أكسيد النيتروجين دورًا مركزيًا مجددًا، لكن بطريقة مختلفة. داخل قطرات الضباب والقطرات الكبيرة، أكّدت تفاعلات ثاني أكسيد النيتروجين ومنتجاته التأكسدية الكبريت المذاب في سلسلة من التفاعلات المائية. وُجد أن وسيطًا مهمًا، وهو نوع نيتروجيني تفاعلي يتوازن مع حمض النيتروز، يبقى لفترة أطول داخل القطرات الأكبر الأقل حموضة مما يقيمه في الجسيمات الصغيرة الأكثر حموضة. أتاح وقت الإقامة الأطول هذا له مهاجمة الكبريت المذاب مرارًا، مدفوعًا بإنتاج سريع للكبريتات بالذات عندما تكون الضبابية والضباب الكثيف حاضرَين.

وضع أرقام على ما هو غير مرئي

لاختبار هذه الأفكار، بنى المؤلفون نموذج صندوق حاسوبي مفصّل جمع بين كيمياء طور الغاز والتفاعلات في الماء السائل والتبادلات بين الهواء والجسيمات. عندما أتاحوا لثاني أكسيد النيتروجين أن يُمتص بواسطة الجسيمات المبللة وقطرات الضباب، استنساخ النموذج بدقة الارتفاعات الملحوظة في النترات والكبريتات. خلال الأحداث الرطبة، مثل الامتصاص المباشر لثاني أكسيد النيتروجين ما يقرب من نصف النترات المتكونة، وأنتجت المؤكسدات النيتروجينية (ثاني أكسيد النيتروجين ومنتجاته المائية) ما يقرب من ثلثي الكبريتات. ليلًا، تفوّق مسار ثاني أكسيد النيتروجين بكثير على المسار الأكثر شهرة الذي يشمل مؤكسدًا ليليًا آخر، وهو خماسي أكسيد ثنائي النيتروجين. أظهر النموذج أيضًا أن قطرات الضباب، بحجمها الأكبر ودرجة حموضة أعلى، تشكّل مفاعلات مواتية بشكل خاص للكيمياء النيتروجينية–الكبريتية التي تُنتج الكبريتات.

ما يعنيه هذا لتنقية الهواء

تخلص الدراسة إلى أن ثاني أكسيد النيتروجين يفعل أكثر من كونه غاز إنذار لتلوث حركة المرور: تحت ظروف راكدة ورطبة جدًا يصبح محركًا قويًا لتشكّل الجسيمات الدقيقة. من خلال تسريع تحويل النيتروجين والكبريت الغازيين إلى جسيمات نترات وكبريتات، تساهم هذه التفاعلات المائية الخفية في تفسير سبب عدم انخفاض مستويات الجسيمات بالسرعة نفسها التي انخفضت بها انبعاثات غازات النيتروجين والكبريت في الصين. وتشير النتائج إلى أن السيطرة الفعالة على الضباب الدخاني في المناطق الساحلية والرطبة يجب أن تأخذ في الحسبان ليس فقط كمية انبعاثات ثاني أكسيد النيتروجين، بل أيضًا عدد مرات دخول الغلاف الجوي إلى هذه الحالات اللاصقة والضبابية التي تحوّله إلى مصنع كيميائي مجهري.

الاستشهاد: Lin, Z., Ji, X., Xu, L. et al. Enhanced NO₂-driven multiphase formation of particulate nitrate and sulfate under high-humidity conditions. npj Clim Atmos Sci 9, 76 (2026). https://doi.org/10.1038/s41612-026-01352-5

الكلمات المفتاحية: تلوث الهواء, ثاني أكسيد النيتروجين, جسيمات دقيقة, رطوبة عالية, كيمياء الضباب