미국 캘리포니아 주 남부 해안에 대하여 수행된 새로운 측정에 따르면, 해수 표면(sea surface)이 야간에 오염된 대기에 구축된 질소산화물(nitrogen oxides)을 흡수한다고 밝혔다. 해양이 해안을 따라 야간 동안 이러한 화학물질의 약 15% 가량을 제거한다고 미국 국립과학원회보(PNAS; Proceedings of the National Academy of Sciences) 온라인 판에 발표된 동 연구는 제안했다.

질소산화물은 대기 중에서 일어나는 여러 화학반응에서 중요한 역할을 한다. 질소산화물의 또 다른 형태인 질산기(NO3)는 어두운 곳에서 형성되는데 이것이 밤에 대기에서 일어나는 화학반응을 조절한다. 질소산화물은 물과 반응하여 질산(HNO3)을 만드는데, 이는 산성비의 주요원인이 된다. 산성비로 인해 질소산화물은 침전되거나 비에 씻겨 내림으로써 대기 중에서 질소산화물을 제거하는데 핵심적인 역할을 한다. 질산은 극지방 성층권에서 구름의 입자가 되기도 한다. 이 구름입자는 물과 질산이 섞인 것으로 NAT(Nitric Acid Trihydrate)라고 불리며 극지방의 오존층을 파괴하는 하나의 원인으로 알려져 있다.

화석 연료의 연소로 형성되는 질소산화물은 유해한 광화학적 스모그(photochemical smog)를 생성한다. 대기 화학자들은 질소산화물이 대기로부터 제거되는 방안으로서 이러한 물질의 공급원과 저장소를 규명하는 배분에서 질소산화물의 운명을 고려하기를 바라고 있다.

종종 무시되는 경로 중 하나는 해수의 표면에서의 반응이라고 이 연구를 주도한 캘리포니아 주립대학 샌디에이고 캠퍼스(UC San Diego; University of California, San Diego) 화학과 조교수인 Tim Bertram은 밝혔다. 해수는 다양한 화학 반응에 대한 가능성을 지닌 염분을 함유한 풍부한 유기 표면(organic surface)을 가진다.

대기 중에서 질소 순환을 추적하기 위하여 연구진은 질소산화물의 산화의 결과로 생성되는 분자인 오산화이질소(dinitrogen pentoxide)를 연구했다. 예를 들면, 이 물질은 염화니크릴(nitryl chloride, ClNO2)을 형성하기 위하여 해염으로부터 유래하는 염화물(chloride)과 반응할 수 있다. 다음날 아침 일광이 염화니트릴을 조사할 때, 이 물질은 질소산화물을 다시 생성시키고, 오존 형성으로 이어질 수 있는 반응에서 다른 분자를 공격하는 염소 라디칼(chlorine radical)을 해리시킨다.

UC San Diego 산하 스크립스 해양 연구소(Scripps Institution of Oceanography)에서 대학원 학생인 Michelle Kim은 Bertram 교수와 함께 이러한 분자의 흐름을 측정하기 위하여 캘리포니아 주 라호야 해변(La Jolla) 내 연구소 끝부분에 연구진의 도구를 배치했다.

2013년 2월 20일 야간, 일상적인 해양 바람은 대기와 해수 사이의 교환을 측정하기 위하여 요구되는 순수한 해양을 제공하도록 역으로 불었다. 또 그녀가 측정한 기단(airmass)은 해수의 바깥쪽에서 불어와 로스앤젤레스로부터 유래하는 배기가스를 포함하고 있었다. 이러한 환경은 연구진이 야간 동안 오산화이질소와 이 물질의 생성물인 염화니트릴의 운명을 측정할 수 있는 기회를 제공했다.

해수 표면에서 대기에서의 난기류(turbulence)와 두 가지 분자의 농도를 동시에 측정함으로써, Kim은 오산화이질소가 해양으로 이동하는 순 이동(net movement)을 관찰했지만, 염화니트릴이 대기로 순 유출되는 현상은 관찰할 수 없다는 사실을 확인했다.

연구진은 질소산화물이 파도의 비말(sea spray)과 다른 에어로졸, 심지어는 눈덩이로 뒤덮인 들판(snowpack) 등과 같은 다양한 표면으로 소실된다는 것을 이전의 연구에서 규명한 바 있다고 그녀는 밝혔다. 이 연구는 해양이 야간 질소산화물에 대한 최종적인 저장소(terminal sink)이며, 이러한 시료 채집 조건 하에서 염화니트릴의 공급원이 아니라는 것을 처음으로 보여 주었다고 Kim은 밝혔다.

이러한 관찰은 대기 화학에 대한 질문에 답을 제공하기 위하여 측정에 미세 기상학적 기술을 사용하고 있기 때문에 다수의 부분에서 이전에는 수행되지 못했다. 이러한 측정 방법의 주도자이며 공동 저자인 콜로라도 주립 대학(Colorado State University) 소속의 Delphine Farmer가 흐름 측정을 수행하는데 도움을 주었다.

Betram은 이러한 측정이 실제 시스템을 연구하기 위하여 복잡성을 수용하고, 관련 영향에 따른 자연적 세계를 조합하는 그의 연구 그룹의 임무 중 일부라고 밝혔다.

 

 

 

 

 

The surface of the sea takes up nitrogen oxides that build up in polluted air at night, new measurements on the coast of southern California have shown. The ocean removes about 15 percent of these chemicals overnight along the coast, a team of atmospheric chemists reports in the early online edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences the week of March 3.

 

Nitrogen oxides, formed by the burning of fossil fuels, generate photochemical smog. Atmospheric chemists would like to account for the fates of these molecules in a kind of budget that indentifies their sources and sinks – ways in which they are removed from the air.

 

"One often neglected path is reaction at the surface of the sea," said Tim Bertram, an assistant professor of chemistry at the University of California, San Diego, who led the research. "The sea has a salty, rich, organic surface with the potential for a variety of chemical reactions."

 

To track the cycle of nitrogen in the atmosphere, they studied dinitrogen pentoxide, a molecule that results from the oxidation of nitrogen oxides. It can react with chloride from sea salt, for example, to form nitryl chloride. When sunlight hits nitryl chloride the next morning, it regenerates nitrogen oxides and frees a chlorine radical that attacks other molecules in reactions that can lead to the formation of ozone.

 

Michelle Kim, a graduate student at UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography working with Bertram, deployed intruments at the end of the institute's pier in La Jolla, Calif., to measure the flux of these molecules.

 

On the night of February 20, 2013, the usual offshore breeze reversed to provide the pure ocean fetch needed to measure the exchange between air and sea. The airmass she measured also contained emissions from Los Angeles that had blown out to sea. That gave Kim an opportunity to measure the fates of dinitrogen pentoxide and its product, nitryl chloride, over the course of a night.

 

By simultaneously measuring concentrations of both molecules and turbulence in the air above the sea surface, Kim saw a net movement of dinitrogen pentoxide into the ocean, but was surprised to see no net exit of nitryl chloride into the air.

 

"We knew from previous work that nitrogen oxides are lost to various surfaces – sea spray and other aerosols, even snowpack," she said. "This study shows – for the first time - that the ocean is a terminal sink for nocturnal nitrogen oxides, and not a source for nitryl chloride under these sampling conditions."

 

These observations haven't been made before in large part because the measurements use a micrometeorological technique to answer an atmospheric chemistry question. Co-author Delphine Farmer at Colorado State University, a leader in these methods, helped to guide to the flux measurements.

 

Betram says it's part of his group's mission, to "embrace the complexity to study real systems in their native states and the coupling of the natural world with our influence."

 

[원문출처 : http://phys.org/news/2014-03-sea-surface-nitrogen-oxides-night.html]