硫酸と一般的な大気中の塩基や有機酸との相互作用：熱力学と新しい粒子形成への影響

Interactions of sulfuric acid with common atmospheric bases and organic acids: Thermodynamics and implications to new particle formation.

• Yunfeng Li
• Haijie Zhang
• Qingzhu Zhang
• Yisheng Xu
• Alexey B Nadykto

抄録

地球大気中の二元系クラスターの安定化に効果的と考えられているジメチルアミン（(CH)NH）,メチルアミン（CHNH）,アンモニア（NH）の3つの一般的な大気中塩基と、大気中の前駆体であるHSOとの相互作用。と14種類の一般的な大気中有機酸(COA)を密度汎関数理論(DFT)と複合高精度G3MP2法を用いて研究した。(COA)(HSO), (COA)(B1), (COA)(B2), (COA)(B3)二量体と(COA)(HSO)(B1), (COA)(HSO)(B2), (COA)(HSO)(B3)三量体の混合物の熱力学的安定性を調べ、B1, B2, B3はそれぞれ(CH)NH, CHNH, NHを表し、HSOを含むクラスターの熱力学的安定性に与える影響を調べてきた。その結果、HSOとCOA, (CH)NH, (CHNH), (NH), (HSO)(塩基)との相互作用は、それぞれ(HSO), (HSO)(塩基)よりも安定な混合二量体, 三量体を形成することを示し、大気核生成の初期段階における共通の有機種の重要性を強調した。また、二元系クラスターの安定化剤としては、一般にアミンがNHよりも活性が高いことが確認されているが、場合によってはNHを含む混合三量体の方がCHNHを含む混合三量体よりも熱力学的に安定であることを示した。本研究は、安定な核生成前クラスターの形成において、HSOや地球大気中の共通塩基と共存・相互作用するCOAが重要な役割を果たしていることを示しており、新粒子形成(NPF)へのCOAの影響をさらに詳細に調べる必要があることを示唆している。

Interactions of the three common atmospheric bases, dimethylamine ((CH)NH), methylamine (CHNH), ammonia (NH), all considered to be efficient stabilizers of binary clusters in the Earth's atmosphere, with HSO, the key atmospheric precursor, and 14 common atmospheric organic acids (COAs) (formic, acetic, oxalic, malonic, succinic, glutaric acid, adipic, benzoic, phenylacetic, pyruvic, maleic acid, malic, tartaric and pinonic acids) have been studied using the density functional theory (DFT) and composite high-accuracy G3MP2 method. The thermodynamic stability of mixed (COA)(HSO), (COA)(B1), (COA)(B2) and (COA)(B3) dimers and (COA)(HSO)(B1), (COA)(HSO)(B2) and (COA)(HSO)(B3) trimers, where B1, B2 and B3 refer to (CH)NH, CHNH and NH, respectively, have been investigated and their impacts on the thermodynamic stability of clusters containing HSO have been studied. Our investigation shows that interactions of HSO with COA, (CH)NH, CHNH and NH lead to the formation of more stable mixed dimers and trimers than (HSO) and (HSO)(base), respectively, and emphasize the importance of common organic species for early stages of atmospheric nucleation. We also show that although amines are generally confirmed to be more active than NH as stabilizers of binary clusters, in some cases mixed trimers containing NH are more stable thermodynamically than those containing CHNH. This study indicates an important role of COA, which coexist and interact with that HSO and common atmospheric bases in the Earth atmosphere, in formation of stable pre-nucleation clusters and suggests that the impacts of COA on new particle formation (NPF) should be studied in further details.

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