Assessment of isoprene epoxydiol reactive uptake onto acidic sulfate aerosols by real-time isomer characterization
वास्तविक समय के आइसोमर लक्षण वर्णन को गतिज मॉडलिंग के साथ जोड़कर, यह अध्ययन प्रकट करता है कि सल्फेट एरोसोल पर एसिड-संचालित IEPOX आइसोमेराइज़ेशन अत्यधिक वाष्पशील यौगिकों का उत्पादन करता है, जिससे प्रमुख वैश्विक क्षेत्रों में सिम्युलेटेड आइसोप्रीन-व्युत्पन्न द्वितीयक कार्बनिक एरोसोल के पुनरीक्षण में महत्वपूर्ण गिरावट (65% तक) आती है और अन्य निर्माण प्रक्रियाओं को ध्यान में रखने की आवश्यकता पर प्रकाश पड़ता है।
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जिस हवा में हम सांस लेते हैं, वह कभी वास्तव में खाली नहीं होती। एक साफ दिन में भी, इसमें सूक्ष्म ठोस और तरल कणों की एक धुंधली, अदृश्य धुंध होती है, जिन्हें एरोसोल कहा जाता है। ये कण उस स्मॉग (धुंध) का एक प्रमुख घटक हैं जो हमारे स्वास्थ्य को प्रभावित करता है और उस धुंध (हेज़) का भी, जो हमारे जलवायु को प्रभावित करती है। इस कण सामग्री का एक महत्वपूर्ण हिस्सा सीधे धुएं या धूल से नहीं बनता, बल्कि एक रासायनिक परिवर्तन से बनता है जो हमारे सिर के बहुत ऊपर होता है। पौधे भारी मात्रा में अदृश्य गैसें छोड़ते हैं, और जब सूर्य का प्रकाश और अन्य वायुमंडलीय रसायन उन पर कार्य करते हैं, तो ये गैसें आपस में जुड़कर नए कण बना सकती हैं। इस प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण गैसों में से एक आइसोप्रिन (isoprene) है, जो दुनिया भर के पेड़ों और जंगलों द्वारा भारी मात्रा में छोड़ी जाने वाली एक यौगिक है। पौधों की इन गैसों के कणों में बदलने की सटीक प्रक्रिया को समझना वायु गुणवत्ता का पूर्वानुमान लगाने और पृथ्वी की जलवायु कैसे बदलेगी, इसका मॉडल तैयार करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
वर्षों से, वैज्ञानिक जानते थे कि आइसोप्रिन से जुड़ी एक विशिष्ट रासायनिक प्रक्रिया वायुमंडलीय धुंध बनाने के लिए एक प्राथमिक इंजन है। जब आइसोप्रिन हवा में टूटता है, तो यह 'आइसोप्रिन एपॉक्सीडायोल' (isoprene epoxydiol) नामक एक प्रमुख मध्यवर्ती अणु बनाता है। यह अणु अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है और जब यह वायुमंडल में तैरते अम्लीय कणों से मिलता है, तो माना जाता है कि यह उन पर चिपक जाता है और ठोस सामग्री में बदल जाता है, जिससे एरोसोल की परत का द्रव्यमान बढ़ जाता है। इस प्रक्रिया को अमेज़न और दक्षिण-पूर्वी संयुक्त राज्य अमेरिका जैसे वन क्षेत्रों में जैविक धुंध का एक प्रमुख स्रोत माना गया है। हालांकि, उन कणों के भीतर क्या होता है, इसका विवरण कुछ हद तक अस्पष्ट रहा है, जिससे विभिन्न परिस्थितियों में ठीक कितनी धुंध बनेगी, इसका पूर्वानुमान लगाने की हमारी क्षमता में एक कमी रह गई थी।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उन्नत उपकरणों का उपयोग करके, वास्तविक समय में होने वाली रसायन विज्ञान को देखते हुए, इस प्रक्रिया पर बारीकी से नज़र डाली है। उन्होंने एक बड़े, स्वच्छ चैंबर में नियंत्रित प्रयोग स्थापित किए जहाँ वे आइसोप्रिन एपॉक्सीडायोल और अम्लीय सल्फेट कणों को पेश कर सके, जो वातावरण में पाई जाने वाली स्थितियों की नकल करते हैं। चुनौती यह थी कि इसमें शामिल अणु रासायनिक रूप से बहुत समान हैं, जैसे कि लगभग एक जैसे दिखने वाले भाई-बहन। मानक उपकरण यह देख सकते थे कि एक प्रतिक्रिया हो रही है, लेकिन वे यह नहीं बता सकते थे कि अणु बदलते समय वास्तव में कौन से विशिष्ट आकार ले रहे थे। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक परिष्कृत उपकरण का उपयोग किया जो एक आणविक छलनी (molecular sieve) की तरह कार्य करता है, जो गैस के माध्यम से उनकी गति के आधार पर इन लगभग समान आकारों को अलग करता है। इसने उन्हें प्रतिक्रिया के दौरान बनने वाले सटीक रासायनिक संरचनाओं की पहचान करने में सक्षम बनाया।
उन्होंने जो खोजा उसने धुंध के निर्माण की तस्वीर को बदल दिया। उन्होंने पाया कि जब आइसोप्रिन एपॉक्सीडायोल अम्लीय कणों की सतह पर प्रतिक्रिया करता है, तो यह केवल वहीं नहीं रहता और भारी, ठोस कण में नहीं बदलता। इसके बजाय, इसका एक बड़ा हिस्सा खुद को नए, हल्के रासायनिक रूपों में पुनर्गठित करता है। ये नए रूप बहुत अधिक वाष्पशील (volatile) होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें कण से चिपके रहने के बजाय वापस गैस में बदलने और हवा में तैर जाने की प्रबल प्रवृत्ति होती है। शोधकर्ताओं ने विशिष्ट नए अणुओं की पहचान की, जिसमें एक प्रकार का अल्कोहल और एक वलय जैसी (ring-shaped) संरचना शामिल है, जो वापस हवा में निकल रहे थे। अपने प्रयोगों में, प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थ का लगभग एक-पांचवां हिस्सा वापस गैस अवस्था में लौट आया, जो पहले की धारणा से कहीं अधिक था।
इस खोज का वायुमंडल में धुंध की मात्रा की गणना करने पर सीधा प्रभाव पड़ता है। जब शोधकर्ताओं ने इन नए अवलोकनों को कंप्यूटर मॉडल में डाला जो बड़े क्षेत्रों के ऊपर मौसम और वायु गुणवत्ता का अनुकरण करते हैं, तो परिणाम स्पष्ट रूप से बदल गए। मॉडल, अब इस ज्ञान के साथ अपडेट होने के बाद कि इतनी अधिक सामग्री वापस हवा में निकल जाती है, पहले की तुलना में काफी कम धुंध निर्माण की भविष्यवाणी करते हैं। अमेज़न बेसिन में, सिम्युलेटेड धुंध की मात्रा 65 प्रतिशत तक गिर गई। दक्षिण-पूर्वी संयुक्त राज्य अमेरिका में, यह कमी छोटी थी लेकिन फिर भी पर्याप्त थी, जो 21 प्रतिशत तक पहुँची। यह सुझाव देता है कि पिछले अनुमानों ने धुंध की अधिक गणना की होगी क्योंकि उन्होंने यह मान लिया था कि रासायनिक प्रतिक्रिया एकतरफा रास्ता है जो सब कुछ कण पर ही फँसा देती है।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि परिणामी रसायनों की अस्थिरता (volatility) यह निर्धारित करने में सबसे महत्वपूर्ण कारक है कि कितनी धुंध बनती है। जबकि नए, हल्के अणु अंततः सूर्य के प्रकाश और अन्य रसायनों द्वारा ऑक्सीकृत होने पर फिर से धुंध बना सकते हैं, उनकी कण से तुरंत बाहर निकलने की प्रवृत्ति सीधे इस प्रक्रिया से उत्पन्न होने वाले कुल धुंध के द्रव्यमान को कम कर देती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि अमेज़न में, जहाँ पौधे इन धुंध बनाने वाले रसायनों को सीधे भी छोड़ सकते हैं, वहां यह प्रभाव और भी अधिक स्पष्ट है। दक्षिण-पूर्वी संयुक्त से संयुक्त राज्य अमेरिका में, जहाँ ऐसे प्रत्यक्ष उत्सर्जन कम निश्चित हैं, वहां भी अनुमानित धुंध में कमी महत्वपूर्ण है, लेकिन यह मुख्य रूप से रसायनों के व्यवहार के संशोधित समझ से प्रेरित है।
इन सुधारों के बावजूद, मॉडल अभी भी वास्तविक दुनिया में जो देखा जाता है उससे पूरी तरह मेल नहीं खाते। अमेज़न में, मॉडल अभी भी बहुत कम धुंध की भविष्यवाणी करते हैं जो जमीन पर मौजूद उपकरणों और विमानों द्वारा वास्तव में मापी जाती है। यह अंतर बताता है कि हालांकि नए रासायनिक विवरण सही हैं, फिर भी अन्य प्रक्रियाएं भी सक्रिय हैं जिन्हें मॉडल अभी तक पकड़ नहीं पाए हैं। इनमें पौधों से धुंध बनाने वाले रसायनों का सीधा उत्सर्जन, बादलों के भीतर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं, या जैविक प्रक्रियाएं शामिल हो सकती हैं जो अभी तक पूरी तरह से समझी नहीं गई हैं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि अम्ल-संचालित प्रतिक्रिया पूरी कहानी नहीं है, लेकिन यह बाकी तस्वीर बनाने के लिए एक बहुत अधिक सटीक आधार प्रदान करता है।
वास्तविक समय में रासायनिक आकारों को अलग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि वायुमंडल पहले की तुलना में अधिक गतिशील है। अणु केवल फंसे और ठोस नहीं होते; वे लगातार पुनर्गठित और गैस तथा कण चरणों के बीच घूमते रहते हैं। यह नई समझ उन उपकरणों को परिष्कृत करने में मदद करती है जिनका उपयोग वैज्ञानिक वायु गुणवत्ता और जलवायु का पूर्वानुमान लगाने के लिए करते हैं। यह एक ऐसे भविष्य की ओर संकेत करता है जहाँ मॉडल आकाश में अणुओं के जटिल नृत्य का बेहतर ढंग से हिसाब रख सकेंगे, जिससे हमारे द्वारा ली जाने वाली हवा और हमारे जीवन की जलवायु के लिए अधिक विश्वसनीय भविष्यवाणियां संभव होंगी। यह कार्य इस बात पर जोर देता है कि वायुमंडलीय रसायन विज्ञान की अदृश्य दुनिया में भी, आणविक आकार और व्यवहार का महत्व अत्यधिक है।
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