海洋飛沫氣溶膠的快速酸化

  • Physics Today
  • 撰文者:Kyle Angle、Vicki Grassian及UC San Diego(林祉均 譯)
  • 發文日期:2022-03-25
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海水的pH值幾乎是中性。但海水表面噴濺飛出的微小水滴可不是如此。

氣溶膠是懸浮於空氣中的液體或固體微粒,它們對這個世界有著深遠的影響。在大氣層上空,氣溶膠是雲層形成過程中不可或缺的凝結核,牽動著全球的天氣與氣候。另一方面,較靠近地面的氣溶膠長年來一直是美國國家環境保護局管制的對象,因為吸入高濃度氣溶膠對肺部、腦部、和其他身體組織有負面的影響。在過去兩年間,人們交談和咳嗽時產生的液態氣溶膠也登上了新聞版面,因為它是SARS-CoV-2的主要傳染途徑。

 

覆蓋70%地表的海洋所產生的海洋飛沫氣溶膠(Sea Spray Aerosols, SSAs)是占比最大的氣溶膠種類。SSAs的組成成分可不是只有鹽水,當中含有脂肪酸和其他源自生物的有機分子等多種物質,濃度都高於下方海水。SSAs不同的化學組成不只會改變其在氣候中扮演的角色(只有特定種類的氣溶膠能作為有效的凝結核),也對人體健康有著不同的影響。

 

其中一個基本的化學性質就是酸鹼值。對人體健康而言,氣溶膠的酸鹼值格外重要,因為酸性氣溶膠可能造成肺部壓力增加。氣溶膠的酸鹼值也和其反應活性、對固態物質的溶解度、還有氣體分子進出等性質有關。舉例來說,二氧化硫只會在酸性氣溶膠的表面氧化並轉化為硫酸鹽微粒,成為潛在的凝結核。SSAs中的生物分子包括活性酵素,這些酵素在酸性pH環境下有不同的行為。某些酸性SSAs中的脂肪酸會被質子化並扮演介面活性劑的角色。儘管氣溶膠的pH值如此重要,科學家直到最近才開始設計相關的測量方法。

 

用智慧型手機研究海洋飛沫

不過幸運的是,高中化學課所用的酸鹼試紙就可以測量氣溶膠的pH值!酸鹼試紙一般被當作半量化的估測工具,利用其浸入溶液後的顏色來判斷酸鹼性。不過作者之中一人(Ault)和他在密西根大學的團隊發現,試紙顏色可以被精準的量化分析,用以推斷pH值。只要讓氣溶膠分子接觸試紙,再用智慧型手機拍攝照片,就能從照片中的RGB值計算出對應的pH值。他們發現硫酸銨氣溶膠的pH值會隨著微粒大小下降。

 

酸性氣溶膠曾在不同環境下以多種方式被觀測到,而研究人員發現經歷較久大氣老化的氣溶膠通常也有較強的酸性。受到Ault的啟發,作者中其他兩位(Angle和Grassian)決定用這個簡單實惠的氣溶膠pH測量法來回答一個未解的謎團:未經大氣老化的SSAs的pH值是多少

海水的pH值是8.1(這個值隨著越來越多二氧化碳溶入海水而緩慢下降),所以你可能會以為剛誕生的SSAs也有同樣的pH。但是實際情況是,當SSAs在浪花飛濺、泡沫破裂之際從海面生成,他們會和周圍空氣快速混合,同時混入各種氣體和其他氣溶膠。因此要量測SSAs最原始的pH值並不容易,過往研究也無法區別新生與老化的SSAs。

 

解決方法就是在可控制的環境中重現海洋飛沫。由美國國家衛生基金會資助的氣溶膠之環境化學衝擊研究中心(CAICE)在一個稱為SeaSCAPE(海洋飛沫化學性質與顆粒演化)的計畫中著手進行這些測量。CAICE團隊在斯克里普斯海洋研究所的水力學實驗室架起一個33公尺長的水缸,缸中裝滿真實的海水,如圖1所示。特製的槳板負責激起浪花,製造氣溶膠,而它們在騰空後不到兩分鐘便會被收集至pH試紙上。

 

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圖1。SeaSCAPE計畫中所使用的實驗水道,用以在可控的環境下,從真實海水中產生海洋飛沫氣溶膠。(Photo by Erik Jepsen, University of California, San Diego.)

 

實驗測量到不同粒徑的氣溶膠pH值以圖表方式呈現於圖2。從實驗結果可以看到,即使是新生成的SSAs,酸性也遠比海洋中的海水強。液態氣溶膠的酸鹼性可以像一般溶液一樣用對數pH值來度量,pH值少1代表酸性強十倍。粒徑最小的氣溶膠pH值只有2,意即它的酸性在脫離海洋後兩分鐘內便增強了百萬倍。


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圖2,SSAs的酸性。(a) 最左邊四個數據為不同粒徑SSAs的pH值。微米以下SSAs的酸性以多個數量級之差勝過總懸浮粒子(Total Suspended Particles,TSP,主要是大於一微米的氣溶膠)、海洋微表層(Sea Surface Microlayer,SSML,海洋中最上層的海水),以及海洋中的海水。(b) 氣溶膠的酸性會影響許多不同現象,包括二氧化硫氧化成為硫酸的過程、礦物質的溶解、氣體分配進入氣溶膠與留在氣溶膠外的量,以及從大氣中揮發性和半揮發性有機物質產生二次有機氣溶膠的化學反應。

 

微觀下的酸鹼化學

SSAs的快速酸化可能有許多成因,包括其和酸性大氣氣體的交互作用。正如同二氧化碳溶解會導致海水酸化,大氣中的二氧化碳、二氧化硫,甚至是在SSAs中鹽類反應而產生的鹽酸都會增強氣溶膠的酸性。事實上,酸性氣體對於控制大氣pH值有著廣泛而不容忽略的影響。這些氣體會溶解在雲霧的小水滴中,使它們呈現弱酸性,這個效應在表面積/體積比例較大的氣溶膠顆粒上更加明顯。

 

如果酸性氣體會製造酸性氣溶膠,你可能會以為氨這類鹼性氣體(通常由硝酸銨肥料釋出到大氣中)能有反制效果。可惜的是,關於酸鹼平衡的化學直覺並不一定適用於大氣氣溶膠。最近在《科學》期刊上發表的一篇研究展示了氨氣其實會對液態氣溶膠發揮緩衝效果,使其維持在原本的酸性pH值。

 

近年來,相關的研究進展讓人振奮。但想在真實大氣中針對運動中的個別SSAs進行pH值測量,仍是分析化學上的艱鉅挑戰。未來或將開發出標準化的氣溶膠酸性測量儀器,做成攜帶式版本後可以更加準確地量測氣溶膠性質和空氣品質。

 

SeaSCAPE計畫由美國國家衛生基金會透過CAICE贊助,計畫編號CHE-1801971。本文作者向所有SeaSCAPE計畫中參與此次研究成果的人員致謝。

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2022 雜誌內 (Physics Today 75, 1, 58 (2022); https://doi.org/10.1063/PT.3.4926)。原文作者:Kyle Angle、Vicki Grassian及UC San Diego。中文編譯:林祉均,國立清華大學學生。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Kyle Angle、Vicki Grassian及UC San Diego, and is published on (Physics Today 75, 1, 58 (2022);  https://doi.org/10.1063/PT.3.4926   )The article in Mandarin is translated and edited by J.L Lin, Studying at the Department of Physics, National Tsing Hua University.