Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Học viện công nghệ California (Caltech) đã phát hiện một nhân tố chưa được biết tới trong quá trình mà khí do cây tạo ra và các loài thực vật khác trở thành aerosols – những phần tử cực nhỏ trong khí quyển.
Nghiên cứu của họ về sự hình thành và tác động của những chất hóa học này, gọi là epoxit, được đăng trên tạp chí Science.
Paul Wennberg, giáo sư danh dự R. Stanton Avery về Hóa học khí quyển và khoa học môi trường, đồng thời là giám đốc trung tâm Ronald và Maxine Linde về Khoa học môi trương toàn cầu tại Caltech, cùng John Seinfeld, giáo sư danh dự Louis E. Nohl về hóa học, đã nghiên cứu về vai trò của chất thải biogenic - những hợp chất cácbon hữu cơ do cây cối và thực vật giải phóng – trong các phản ứng hóa học khí quyển dẫn đến sự hình thành aerosols.
Wennberg nhấn mạnh: “Nếu bạn trộn lẫn chất thải từ thành phố và chất thải do thực vật giải phóng, chúng sẽ tương tác và làm thay đổi tính chất hóa học của khí quyển”.
Trong khi phần lớn chú ý tập trung vào tác động của khí thải từ ô tô và sản xuất công nghiệp, thì hiểu biết của chúng ta về điều gì xảy ra đối với chất thải biogenic còn rất hạn chế, đặc biệt là ở những khu vực nơi có rất ít chất thải do con người tạo ra. Wennberg giải thích: “Điều chúng tôi quan tâm là điều gì xảy ra đối với các chất hóa học do cây tạo ra khi chúng được giải phóng vào khí quyển”.
Trong những nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tập trung vào một chất hóa học gọi là isoprene, do những cây sớm rụng giải phóng. Wennberg cho biết: “Cây sồi là thực vật tạo ra nhiều chất thải nhất. Và lượng isoprene chúng thải ra là một trong những nguyên nhân khiến dãy núi Smoky trông đầy khói”.
Isoprene không phải là nhân tố thứ yếu trong hóa học khí quyển, Wennberg cho biết: “Lượng isoprene được giải phóng vào khí quyển lớn hơn nhiều so với tất cả các loại khí khác – dầu lửa, các hóa chất công nghiệp – được thải ra từ các hoạt động của con người, chỉ trừ mêtan và cácbon dioxit. Và isoprene chỉ có nguồn gốc từ thực vật. Thực vật tạo ra hàng trăm triệu tấn chấ thóa học này…với những lý do mà chúng tôi vẫn chưa hoàn toàn hiểu rõ”.
Nghiên cứu sinh tại Caltech Fabien Paulot, tác giả chính của bài báo, cho biết: “Hầu hết isoprene được giải phóng ở những khu vực có rất ít chất thải có nguồn gốc từ loài người. Tính chất hóa học của nó vẫnb chưa được hiểu rõ”.
Khi được giải phóng vào khí quyển, isoprene bị “oxy hóa” bởi những chất oxy hóa như OH, Wennberg giải thích. Tính chất hóa học này chính là trọng tâm của nghiên cứu. Cụ thể, nghiên cứu được thực hiện để tìm hiểu làm thế nào quá trình oxy hóa isoprene có thể dẫn tới sự hình thành vật chất hạt khí quyển, aerosol hữu cơ thứ sinh. Seinfeld cho biết: “Một lượng nhỏ isoprene trở thành aerosol hữu cơ thứ sinh, nhưng vì lượng isoprene rất lớn nên phần nhỏ này cũng rất quan trọng”.
Cho đến nay, quá trình hóa học từ isoprene đến aerosol vẫn chưua được biết đến. Wennberg, Seinfeld, và các đồng nghiệp đã phát hiện rằng aerosol rất có khả năng hình thành từ hóa chất gọi là epoxit.
Wennberg nói: “Những epoxit này là loại keo tự nhiên”. Và gần giống với epoxy bạn mua trong những cửa hàng dụng cụ và đồ dùng trong nhà – cần thêm vào một axit để tạo thành keo – epoxit tìm thấy trong khí quyển cũng cần một tác động axit để trở nên “dính”.
Các nhà khoa học Caltech đã sử dụng quang phổ kế trên máy bay DC8 của NASA để đo epoxit phía trên Rừng Boreal của Canada mùa hè năm ngoại. Epoxit được hình thành từ isoprene, một chất hóa học do nhiều loại thực vật giải phóng vào khí quyển. (Ảnh: Yohei Shinozuka) |
Wennberg giải thích: “Khí những epoxit này gặp những phần tử có tính chất axit, chúng tạo keo. Epoxit kết tủa trong khí quyển và dính vào các phần tử, làm chúng dày thêm khiến tầm nhìn trong khí quyển bị giảm. Vì tính chất axit của aerosols thường cao hơn khi có mặt các hoạt động có nguồn gốc từ con nguồn, nên hiệu quả của việc chuyển hóa epoxit thành aerosols sẽ cao hơn trong môi trường ô nhiễm. Điều này cho thấy một tương tác phức tạp nữa giữa khí thải từ sinh quyển và từ con người. "
Seinfeld cho biết: “Các phần tử trong khí quyển đã được chứng minh rằng có tác động đến sức khỏe con người, vì chúng đủ nhỏ để xâm nhập sâu vào phổi của người. Đồng thời, aerosols tác động đến khí hậu của Trái Đất qua việc phân tán và hấp thụ bức xạ mặt trời và qua việc đóng vai trò nhân để mây hình thành. Vì vậy biết rõ nguồn gốc của phần tử trong khí quyển là một điều quan trọng”.
Nhóm nghiên cứu có thể đạt được bước tiến khoa học này là nhờ vào sự phát triển của một loại quang phổ kế khối lượng ion hóa (CIMIS), do đồng tác giả đồng thời là nghiên cứu sinh tại Caltech John Crounse chỉ đạo. “Phương pháp CIMS mới này mở ra những khả năng mới cho việc nghiên cứu những tập hợp hợp chất mới mà các nhà khoa học không thể đo được trước đây, chủ yếu là do chúng phân hủy khi được phân tích với những kỹ thuật truyền thống”.
Nói chung, những phân tử được phát hiện và định lượng bằng quang phổ kế phải được chuyển hóa thánh ion tích điện. Sau đó chúng được hướng vào một trường điện từ, nơi các ion được phân loại theo khối lượng. Vấn đề với những kỹ thuật ion hóa truyền thống là những phân tử “mỏng manh”, ví dự như những phân tử được tạo ra trong quá trình oxy hóa isoprene, thường vỡ thành nhiều mảnh trong quá trình oxy hóa, khiến việc nhận biết chúng rất khó khăn hoặc không thể. Wennberg nhận định: “Phương pháp mới này được phát triển để cho phép các nhà khoa học thực hiện đo đạc khí quyển từ máy bay. Nó có thể ion hóa khí, kể cả những hợp chất peroxyt rất dễ vỡ, trong khi đó vẫn bảo toàn thông tin về kích thước hoặc khối lượng của phân tử ban đầu”.
Điều này khiến việc xác định những khí đơn lẻ trong một hợp chất phức tạp dễ dàng hơn nhiều – đặc biệt là khi bạn tìm kiếm một hợp chất mà bạn không có ý định tìm kiếm.
Wennberg và các đồng nghiệp cũng sử dụng đồng vị oxy – nguyên tử oxy với lượng nơtron khác nhau trong nhân, do đó có khối lượng khác nhau – để đưa ra hiểu biết về cơ chế hóa học hình thành epoxit. Epoxit vẫn chưa được phát hiện cho đến ngày nay vì chúng có khối lượng tương đương với một hóa chất khác được cho là hình thành trong quá trình oxy hóa isoprene, peroxit. Paulot nhận xét: “Đồng vị oxy phân chia peroxit và epoxit và cho thấy rằng khi epoxit hình thành, OH được phục hồi trong khí quyển. Vì OH là chấy tẩy khí quyển, làm sạch nhiều chất hóa học trong khí quyển, việc tái tạo OH có ý nghĩa quan trọng đối với khả năng oxy hóa của khí quyển”.
Việc nhận biết phản ứng quang hợp quan trọng trong việc hình thành epoxit giúp giải thích sự ảnh hưởng của việc giải phóng hợp chất hữu cơ của thực vật đối với không khí trong điều kiện thành thị và nông thôn. Cây cối không hoàn toàn là “những sát thủ” như Ronald Reagan từng bị chế nhạo vì gọi chúng như vậy, mức độ giải phóng isoprene nên “là một phần của những tiêu chí chúng ta sử dụng khi mua và trồng cây ở những khu vực ô nhiễm”, Wennberg nhấn mạnh. Trên thực tế, ông chỉ ra rằng Cơ quan quản lý chất lượng không khí bở biển phía Nam đã thực hiện điều này với danh sách những cây “được thông qua” không thải ra một lượng lớn những hợp chất cácbon hữu cơ vào khí quyển.
Ngoài Wennberg, Paulot, Crounse, và Seinfeld các tác giả khác của bài báo trên Science bao gồm Henrik Kjaergaard thuộc Đại học Otago, New Zealand; học giả bậc sạu tiến sĩ Andreas Kürten, hiện thuộc Đại học Goethe tại Đức, và học giả bậc sau tiến sĩ của Caltech Jason St. Clair.
Nghiên cứu được mô tả trong bài báo trên Science được tài trợ bởi ủy viên quản trị Caltech William Davidow, Phòng khoa học, Bộ năng lượng Hoa Kỳ, Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ, Hiệp hội hoàng gia New Zealand, và NASA.
Tham khảo:
1. Paul Wennberg et al. Unexpected epoxide formation in the gas-phase photooxidation of isoprene. Science, August 7, 2009