Marine upper-tropospheric rapid particle formation dominated by methanesulfonic acid

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作者
Ning An,L.Y. Mao,Bin Zhao,Haotian Zu,Jiewen Shen,Yonggui Zhao,Jing Li,Xiucong Deng,Ling Liu,Haijie Zhang,Joseph S. Francisco,S S Wang,Xiuhui Zhang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (22): e2606521123-e2606521123 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2606521123
摘要

New particle formation (NPF) in the marine upper troposphere sustains one of the largest global aerosol reservoirs that seeds cloud condensation nuclei in the lower troposphere, with far-reaching implications for Earth’s radiative balance and climate. However, the underlying NPF mechanisms remain elusive, constituting a major uncertainty in climate projections. Here, we show that methanesulfonic acid (MSA), long considered only as a key boundary-layer precursor, dominates upper-tropospheric NPF across major oceans. Quantum-chemical and cluster dynamics simulations reveal that MSA enhances sulfuric acid (H 2 SO 4 )–ammonia (NH 3 ) nucleation rates by 1 to 3 orders of magnitude, far surpassing the well-established nitric acid (HNO 3 )–H 2 SO 4 –NH 3 mechanism, owing to stronger intracluster hydrogen bonds and low temperatures that stabilize clusters and render nucleation nearly barrierless. Further global three-dimensional modeling constrained by field measurements confirms that the proposed H 2 SO 4 –MSA–NH 3 nucleation pathway dominates the upper-tropospheric NPF over the Pacific, Atlantic, and Indian Oceans. Notably, this pathway contributes ~40% of global nucleation-induced Aitken- and accumulation-mode aerosols at 0.5 to 4 km altitudes, where most cloud water resides, and yields a net top-of-atmosphere radiation forcing of −1.75 W m −2 (~68% of the nucleation-induced response). This study offers a detailed mechanistic insight into marine upper-tropospheric NPF and improves representation of aerosol–cloud interactions, thereby reducing uncertainties in global climate projections.
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