Усиленное образование нитрата и сульфата в многоредковых процессах, инициируемое NO2, при условиях высокой влажности

Почему влажный воздух может оставаться загрязнённым

Многие представляют, что сырая, туманная погода помогает очищать воздух, смывая загрязнители из неба. Но на юге Китая часто происходит обратное: когда тёплый влажный морской воздух встречается с более прохладным континентальным, образуется густая дымка, хотя обычные атмосферные «очистители» слабы. Это исследование объясняет причину, показывая, как распространённый дорожный загрязнитель — диоксид азота — тихо подпитывает быстрое образование вредных мелких частиц при очень высокой влажности.

Липкий воздух над прибрежным городом

Учёные сосредоточились на Сямэне, прибрежном городе на юге Китая, в течение двух недель ранней весны 2024 года. В это время тёплый влажный морской воздух часто сталкивается с более прохладным сухим континентальным воздухом и застаивается, создавая квазистационарные фронты. Во время этих событий с высокой влажностью воздух становится застойным, скорость ветра падает, и над городом образуется мелкий воздушный слой. Измерения с крыши мониторинговой станции показали, что концентрации мелких частиц (PM2.5) росли, видимость падала, и часто образовывался туман по мере увеличения влажности. В течение этих периодов дымки химический состав частиц менялся в две чёткие стадии: сначала доминировал нитрат, затем резко росла доля сульфата.

Две фазы скрытой химии

В первые, особенно влажные часы этих событий частицы обогащались нитратом, хотя обычная фотохимия была слабой и уровни озона низкими. Команда пришла к выводу, что лучшее объяснение — прямое поглощение диоксида азота смачиваемыми поверхностями частиц и тонкими водными пленками на поверхности. В этих концентрированных каплях диоксид азота реагирует быстрее, чем в обычной воде, образуя как нитрат, так и другую реакционноспособную форму азота, которая может вернуться в газовую фазу. Тесная связь между NO2, водным содержанием аэрозолей, площадью поверхности частиц и ростом нитрата указывает на то, что поверхностные процессы доминировали в образовании нитрата ночью.

Когда туман превращает азот в сульфатные частицы

По мере дальнейшего увеличения влажности и образования тумана химия менялась. Сульфат, образующийся из диоксида серы, начинал быстро нарастать и иногда превосходил нитрат. И здесь диоксид азота играл центральную роль, но иным образом. Внутри туманных и крупных капель NO2 и продукты его реакций окисляли растворённую серу в серии водных реакций. Одно ключевое промежуточное соединение — реакционноспособная форма азота, находящаяся в равновесии с азотистой кислотой — оставалось дольше внутри больших, менее кислых капель, чем в крошечных, более кислых частицах. Более длительное время нахождения позволило этой форме неоднократно атаковать растворённую серу, обеспечивая быстрый рост сульфата именно в условиях густого тумана и дымки.

Оценка невидимого количественно

Чтобы проверить эти идеи, авторы создали подробную «коробочную» модель, объединяющую газовую химию, реакции в жидкой фазе и обмены между воздухом и частицами. Когда они разрешили поглощение NO2 влажными частицами и туманными каплями, модель близко воспроизвела наблюдаемые повышения нитрата и сульфата. В периоды высокой влажности прямое поглощение диоксида азота обеспечивало почти половину всего образующегося нитрата, а азотсодержащие окислители (NO2 и его водные продукты) продуцировали почти две трети сульфата. Ночью путь через диоксид азота значительно опережал более знакомый маршрут с участием другого ночного окислителя — пентоксида азота. Модель также показала, что туманные капли, благодаря большему размерам и более высокому pH, особенно благоприятны для азотно-серной химии, приводящей к образованию сульфата.

Что это значит для чистого воздуха

Исследование делает вывод, что диоксид азота — это не просто индикатор дорожного загрязнения: при очень влажных, застойных условиях он становится мощным драйвером образования мелких частиц. Ускоряя превращение газообразных форм азота и серы в нитратные и сульфатные частицы, эти скрытые водные реакции помогают объяснить, почему уровни частиц не падают так быстро, как эмиссии газов азота и серы в Китае. Результаты указывают на то, что эффективная борьба с смогом в прибрежных и влажных регионах должна учитывать не только объёмы выбросов NO2, но и частоту наступления этих липких, туманных состояний атмосферы, превращающих её в микроскопическую химическую фабрику.

Цитирование: 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

Ключевые слова: загрязнение воздуха, диоксид азота, мелкие частицы, высокая влажность, химия тумана