Рослини - аналіз тварин на стратосфі; ric повітря l; st R; цель водневого балансу в
Зміст:
У дослідженні, опублікованому в випуску журналу Nature за 21 серпня, команда вчених з Каліфорнійського університету в Берклі, Каліфорнійського технологічного інституту, Національного центру досліджень атмосфери в Боулдері, штат Колорадо, та UC Irvine роблять те саме Рівновага Землі за рахунок бюджету водню, звідки походить водень і куди він надходить.
"Збалансований бюджет тепер означає, що ми можемо краще передбачити, що станеться, коли люди вкладуть величезну кількість водню для паливних елементів в атмосферу та поза нею", - сказала Крісті Борінг, професор хімії та наук про Землю та планети в UC Berkeley.
Поки що вчені вважали, що вони розуміють більшість джерел водню та поглиначів - де виробляється водень та як він поглинається в хімічних реакціях у грунті, океанах та атмосфері. Однак два різні методи відстеження водню дали істотно різні результати.
Вчені, які вимірюють концентрації водню, виявили, що найбільша поглинача водню знаходиться в ґрунті - мікроби метаболізують газ водню (Н2) для отримання енергії, виводячи водень з повітря, де це один з найпоширеніших слідів газів після метану.
Ті, хто стежить за еволюцією водню за відносною кількістю двох його ізотопів - стандартного водню, у якому в ядрі є лише один протон, і дейтерію, який має додатковий нейтрон у своєму ядрі - отримали іншу відповідь. Дані, мабуть, дозволяють припустити, що основним стоком є реакція газоподібного водню в атмосфері з радикалами ОН, які «очищають» атмосферу від багатьох реакційноздатних газів.
Що призвело багатьох вчених до цього остаточного висновку, це значне накопичення дейтерію в Н2 або молекулярному водню в атмосфері поблизу поверхні Землі. Дейтерій, який є лише однією десятитисячною настільки поширеною на землі, як водень, на 12 відсотків більше збагачений Н2 в атмосфері, ніж вода (Н2О) в океанах. Протягом багатьох років вважалося, що жодне джерело або поглинач водню, крім реакції з радикалами ОН в атмосфері, не може спричинити значне накопичення дейтерію.
Борінг, який спеціалізується на аналізі ізотопів парникових газів, університет Берклі, вирішив шукати відповідь на цю загадку у верхніх шарах атмосфери або стратосфері. Стратосфера простягається на 10-50 кілометрів над поверхнею і містить озоновий шар, який захищає землю від ультрафіолетових променів. Стратосферний H2 надзвичайно збагачений дейтерієм, збагачення якого на 32 відсотки вище, ніж H2 поблизу земної поверхні.
"Водень у стратосфері є найбільш збагаченим ізотопом матеріалом на землі, поряд із сполуками в незвичних метеоритах", - сказав Борінг. "Ці перші вимірювання в стратосфері - далеко від грунтових мікробів і поверхневих джерел, таких як спалення викопного палива, - дозволили нам дослідити, як дейтерій збагачується або виснажується виключно завдяки процесам в атмосфері".
Зразки стратосферного повітря були взяті модифікованим шпигунським літаком U-2, ER-2, експлуатованим НАСА. Майже 500 зразків повітря було отримано на рейсах, що датуються 1996 роком.
Їхній ізотопний аналіз показав, що екстремальне збагачення дейтерієм, яке спостерігається в стратосферній H2, відбувається не тільки через збагачення дейтерієм внаслідок руйнування H2 в реакції з OH, але і через збагачення дейтерієм в ряді хімічних реакцій, в яких метан (CH4) окислюється H2 виробляти. У будь-якому випадку реакції, що включають дейтерій, протікають з різною швидкістю, ніж реакції, пов’язані з воднем, що призводить до продуктів із співвідношенням дейтерій/водень, що відрізняється від співвідношення реакційних хімікатів.
"Глобальний бюджет водню в атмосфері на деякий час був загадкою, оскільки люди не розуміли, що накопичення дейтерію в атмосферному Н2 може бути пов'язане з джерелом метану, - сказав Борінг. - Наші вимірювання вирішують цю проблему і показують, що те, що виробляється в результаті окислення метану Н2 виробляє досить збагачений Н2 і допомагає збалансувати бюджет Н2 ".
Коли ці нові дані поєднуються з відомими співвідношеннями дейтерій-водень інших реакцій, що включають водень - поглинання Н2 ґрунтовими мікробами та океаном та виробництво через неповне спалювання викопного палива, спалювання біомаси та виробництво мікробами - джерела та баланс врешті-решт падає, сказав Берінг.
"Наші вимірювання та аналізи - це крок вперед у розумінні бюджету Н2, оскільки вони допомагають усунути невідповідність між бюджетом, отриманим від вимірювання концентрації Н2, та бюджетом, отриманим від вимірювань ізотопу Н2", - сказала вона.
Аналіз Бурінга став можливим завдяки розробці нової техніки геохіміком Caltech Джоном Ейлером, яка вимірювала співвідношення ізотопів, використовуючи лише 50-100 мілілітрів повітря - менше половини склянки - замість 4000 літрів приблизного об'єму, необхідного раніше для великого резервуару з пропаном. вдома. Дістати стратосферне повітря у такій великій кількості було б важко, сказав Бурінг. Техніка Ейлера передбачає мас-спектрометрію для розділення різних ізотопів на основі їх невеликих різниць у вазі.
Співавторами статті є Ейлер з Caltech та докторант Том Ран, який зараз працює в Національній лабораторії Лос-Аламоса. Майкл Маккарті, докторант Каліфорнійського університету в Берклі; та колеги з Національного центру атмосферних досліджень та UC Irvine.
Дослідження Бурінга підтримуються Національним науковим фондом, Фондом Девіда і Люсіль Пакард та Програмою досліджень верхньої атмосфери НАСА.