The formation of aerosol haze in the atmosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Atmospheric aerosol containing sulfates affects air quality on a regional scale and the climate on a global scale. For example, in the northern part of the North China Plain, an agglomeration with a population of about half a billion people is systematically exposed to catastrophically rapid pollution by dense haze. In this work, for the first time, evidence is interpreted in favor of the existence of critical atmospheric conditions that enable the extremely rapid formation of sulfates and nitrates in aerosol particles and, in combination with suitable meteorological conditions (temperature, relative humidity, atmospheric stagnation, etc.), lead to the occurrence of aerosol haze. It is shown that sustained and rapid sulfate accumulation in the degenerate-branched regime of a catalytic process involving transition metal ions is possible – at a given air humidity and in an atmosphere polluted with sulfur and nitrogen oxides – only if the ammonia concentration exceeds a certain threshold. At the same time, the rate of nitrate formation also increases, driven by the coupling of sulfate and nitrate formation processes. As a result, the absorption of moisture and ammonia from the air intensifies, ensuring a self-sustaining and rapid increase in the mass concentration of aerosol haze particles in the atmosphere.

About the authors

G. B. Pronchev

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Email: pronchev@rambler.ru
Moscow, Russia

V. M. Azriel

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

V. M. Akimov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

E. V. Ermolova

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

D. B. Kabanov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

L. I. Kolesnikova

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

L. Y. Rusin

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

M. B. Sevryuk

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

A. N. Yermakov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics

Moscow, Russia

References

  1. Andreae M.O., Jones C.D., Cox P.M. // Nature. 2005. V. 435. № 7046. P. 1187. https://doi.org/10.1038/nature03671
  2. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics, from Air Pollution to Climate Change. Hoboken: John Wiley & Sons, 2016.
  3. Eganov A.A., Kardonsky D.A., Sulimenkov I.V. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2019. V. 17. № 2. P. 503. https://doi.org/10.1134/S1990793123020240
  4. Larin I.K. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. № 1. P. 244. https://doi.org/10.1134/S1990793123010074
  5. Zelenov V.V., Aparina E.V. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2024. V. 18. № 3. P. 821. https://doi.org/10.1134/S1990793124700246
  6. Larin I.K., Pronchev G.B., Yermakov A.N. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2024. V. 18. № 3. P. 675. https://doi.org/10.1134/S1990793124700258
  7. Larin I.K., Belyakova T.I., Pronchev G.B., Trofimova E.M. // Adv. Chem. Phys. 2025. V. 44. № 5. P. 40. https://doi.org/10.31857/S0207401X25050051
  8. Larin I.K., Pronchev G.B., Trofimova E.M. // Adv. Chem. Phys. 2025. V. 44. № 5. P. 49. https://doi.org/10.31857/S0207401X25050066
  9. Pronchev G.B., Yermakov A.N. // Atmos. Ocean. Opt., 2025. V. 38. № 4. P. 401. https://doi.org/10.1134/S102485602570023X
  10. Larin I.K. // Adv. Chem. Phys. 2025. V. 44. № 6. P. 109. https://doi.org/10.31857/S0207401X25060097
  11. Pronchev G.B., Yermakov A.N. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2025. V. 19. № 3. P. 770. https://doi.org/10.1134/S1990793125700460
  12. Wang Y., Zhang Q., Jiang J. et al. // J. Geophys. Res. Atmos. 2014. V. 119. № 17. P. 10425. https://doi.org/10.1002/2013JD021426
  13. Liu T., Clegg S.L., Abbatt J.P.D. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2020. V. 117. № 3. P. 1354. https://doi.org/10.1073/pnas.1916401117
  14. Liu P., Ye C., Xue C. et al. // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. № 7. P. 4153. https://doi.org/10.5194/acp-20-4153-2020
  15. Vinogradova A.A., Gubanova D.P., Iordanskii M.A., Skorokhod A.I. // Atmospheric and Oceanic Optics. 2022. V. 35. № 6. P. 758. https://doi.org/10.1134/S1024856022060276
  16. Yausheva E.P., Gladkikh V.A., Kamardin A.P., Shmargunov V.P. // Atmospheric and Oceanic Optics. 2023. V. 36 (S1). P. S65. https://doi.org/10.1134/S1024856024010147
  17. Sirois A., Barrie L.A. // J. Geophys. Res. Atmos. 1999. V. 104. № 9. P. 11599. https://doi.org/10.1029/1999JD900077
  18. Liu M., Song Y., Zhou T. et al. // Geophys. Res. Lett. 2017. V. 44. № 10. P. 5213. https://doi.org/10.1002/2017GL073210
  19. Zheng B., Zhang Q., Zhang Y. et al. // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. № 4. P. 2031. https://doi.org/10.5194/acp-15-2031-2015
  20. Brimblecombe P. The Big Smoke: A History of air pollution in London since medieval time. New York: Routledge, 2011.
  21. Grieken R.W. Optimization and environmental application of TW-EPMA for single particle analysis. Antwerpen: Antwerpen University, 2005.
  22. Wang G., Zhang R., Gomez M.E. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2016. V. 113. № 48. P. 13630. https://doi.org/10.1073/pnas.1616540113
  23. Fountoukis C., Nenes A. // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. № 17. P. 4639. https://doi.org/10.5194/acp-7-4639-2007
  24. Wexler A.S., Clegg S.L. // J. Geophys. Res. Atmos. 2002. V. 107. № D14. P. 3173. https://doi.org/10.1029/2001JD000451
  25. Yermakov A.N., Aloyan A.E., Arutyunyan V.O. // Russ. Meteorol. Hydrol. 2021. V. 46. № 11. P. 762. https://doi.org/10.3103/S1068373921110054
  26. Mozurkewich M. // Atmos. Environ. Part A. Gen. Top. 1993. V. 27. № 2. P. 261. https://doi.org/10.1016/0960-1686(93)90356-4
  27. Jacobson M.Z., Tabazadeh A., Turco R.P. // J. Geophys. Res. Atmos. 1996. V. 101. № D4. P. 9079. https://doi.org/10.1029/96JD00348
  28. Swietlicki E., Hansson H.C., Hämeri K. et al. // Tellus, B: Chem. Phys. Meteorol. 2008. V. 60. № 3. P. 432. https://doi.org/10.1111/j.1600-0889.2008.00350.x
  29. Petters M.D., Kreidenweis S.M. // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. № 8. P. 1961. https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007
  30. Berresheim H., Jaeschke W. // J. Atmos. Chem. 1986. V. 4. № 3. P. 311. https://doi.org/10.1007/BF00053807
  31. Pronchev G.B., Yermakov A.N. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2024. V. 18. № 5. P. 1422. https://doi.org/10.1134/S1990793124701148
  32. Ibusuki T., Takeuchi K. // Atmos. Environ. 1987. V. 21. № 7. P. 1555. https://doi.org/10.1016/0004-6981(87)90317-9
  33. Feichter J., Kjellström E., Rodhe H. et al. // Atmos. Environ. 1996. V. 30. № 10–11. P. 1693. https://doi.org/10.1016/1352-2310(95)00394-0
  34. Alexander B., Park R.J., Jacob D.J., Gong S. // J. Geophys. Res. Atmos. 2009. V. 114. № D2. P. 1. https://doi.org/10.1029/2008JD010486
  35. He P., Alexander B., Geng L. et al. // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. № 8. P. 5515. https://doi.org/10.5194/acp-18-5515-2018
  36. McCabe J.R., Savarino J., Alexander B., Gong S., Thiemens M.H. // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. № 5. P. 10. https://doi.org/10.1029/2005GL025164
  37. Martin L.R., Hill M.W. // Atmos. Environ. 1987. V. 21. № 10. P. 2267. https://doi.org/10.1016/0004-6981(87)90361-1
  38. Yermakov A.N. // Kinet. Catal. 2022. V. 63. № 2. P. 157. https://doi.org/10.1134/S0023158422020021
  39. Baranova R.B., Bugaenko L.T., Ivanina I.N., Kostenko N.N., Starodubtsev G.A. // Khim. Vysok. Energ. 1982. V. 16. № 3. P. 234.
  40. Yermakov A.N. // Kinet. Catal. 2023. V. 64. № 1. P. 74. https://doi.org/10.1134/S0023158423010019
  41. Brandt C., van Eldik R. // Chem. Rev. 1995. V. 95. № 1. P. 119. https://doi.org/10.1021/cr00033a006
  42. Herrmann H., Ervens B., Jacobi H.W. et al. // J. Atmos. Chem. 2000. V. 36. № 3. P. 231. https://doi.org/10.1023/A:1006318622743
  43. Berglund J., Fronaeus S., Elding L.I. // Inorg. Chem. 1993. V. 32. № 21. P. 4527. https://doi.org/10.1021/ic00073a011
  44. Wang H. The chemistry of nitrate radical (NO3) and dinitrogen pentoxide (N2O5) in Beijing. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2021. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8795-5
  45. Schwartz S.E. // SO2, NO and NO2 Oxidation Mechanisms: Atmospheric Considerations / Ed. Calvert J.G. Boston: Butterworth, 1984. P. 173.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».