Spektroskopická studie nečistot na ledu

Mgr. Gabriela Ondrušková, Ph.D.

Doctoral thesis

Spectroscopic study of impurities on ice

Abstract:

Led a sníh jsou běžnými složkami životního prostředí a patří mezi důležitá reakční média v přírodě. K akumulaci a nárůstu koncentrace různých typů nečistot obvykle dochází ve vodě i na ledě. Například látky, přítomné ve vzduchu jako nečistoty, mohou skončit na jejich povrchu jako následek globální destilace nebo depozice. Znalost fyzikálně – chemických vlastností a umístění těchto nečistot v ledu a sněhu za různých podmínek, je rozhodující pro odhad jejich reaktivity. Podle hypotézy, která je v současnosti přijímána, se (foto) reaktivita sloučenin liší v závislosti na jejich konkrétním umístění v / na ledu. Toto umístění závisí mimo jiné na způsobu vzniku ledu v přírodě nebo od postupu přípravy za laboratorních podmínek. V předložené disertační práci popisuji projekty, na kterých jsem pracovala během svého doktorského studia. Nejdříve jsme experimentálně zkoumali dva scénáře, které se vyskytují v přírodě (za použití různých typů mražení): 1) mražení roztoků a 2) depozice látek z plynné fáze na povrch ledu. Výsledky tohoto projektu jsou shrnuty ve třech publikovaných článcích a v jednom dosud nepublikovaném rukopisu. V rámci našich experimentů týkajících se mrazení jsme jako modelové sloučeniny použili naftalen a 1-methylnaftalén, jejichž spektroskopické vlastnosti jsou dobře známé. Z našich pozorování vyplývá, že během mrazení vodného roztoku naftalenu dochází k jeho agregaci v / na ledu a následně ke vzniku excitovaných dimerů (excimerů). Depozicí naftalenu z plynné fáze jsme zjistili, že při nižší teplotě depozice (77 K) vytvoří molekuly naftalenu agregáty, které jsme pomocí fluorescenční spektroskopie pozorovali jako excitované dimery (excimery), zatímco při vyšší teplotě depozice (253 K) vytvoří molekuly naftalenu krystaly. V druhém projektu jsme se zabývali ledovými květy, které byly považovány za zdroj solných aerosolů, způsobujících poškození ozonové vrstvy. S použitím environmentální skenovací elektronové mikroskopie za v přírodě relevantních podmínek jsme dokázali, že ledové květy pravděpodobně nejsou primárním zdrojem solných aerosolů v polárních oblastech. Oba projekty mohou sloužit jako studie modelových situací, při kterých různá forma přípravy vzorku (analogie různých přírodních procesů v chladných oblastech) ovlivní její další chování, osud v nich obsažených látek a následně dopad na životní prostředí.

Abstract:

Ice and snow are common environmental compartments and belongs among important reaction media in nature. Accumulation of various types of impurities usually occur in water and also on ice. For example, substances that are present in the air as pollutants may end up on the ice surfaces as a result of global distillation or deposition. Knowledge of the location and physico-chemical properties of these impurities in ice and snow under different conditions is fundamental to estimating their reactivity. According to the currently accepted hypothesis, the (photo)chemical reactivity of such compounds depends on their particular location in/on ice. This location depends, inter alia, on the formation of ice in nature or on the method of preparation under laboratory conditions. In this dissertation I am describing the projects I have been working on during my doctoral studies. First, we investigated two scenarios that occur in nature (using different types of freezing): 1) freezing of solutions and 2) deposition of substances from the gas phase onto the ice surfaces. The results of this project are summarized in three published articles and one unpublished manuscript. Naphthalene and 1-methylnaphthalene have been used as model compounds in our experiments because their spectroscopic properties are well known. Our observations revealed that during freezing of naphthalene aqueous solution, naphthalene molecules form aggregates in/on ice and eventually excited dimers (excimers) are formed. We found, that upon deposition of naphthalene from the gas phase at lower deposition temperature (77 K) the naphthalene molecules form aggregates, which we observed as excited dimers (excimers) using fluorescence spectroscopy. However, at higher deposition temperature (253 K) the naphthalene molecules form crystals. The second project deals with frost flowers, which were considered as a source of sea-salt aerosols responsible for ozone depletion. Using environmental scanning electron microscopy for the conditions relevant to nature, we have demonstrated that frost flowers are probably not the primary source of sea-salt aerosols in the polar regions. Both projects serve as model situations in which different sample preparation (analogously to different natural processes in cold areas) affects their further behavior, fate and consequently also the impact to the environment.

Keywords

Led, Sníh, Fotochemie, Fluorescence, PAH, Ice, Snow, Photochemistry

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 7. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 14. 10. 2020
• Supervisor: doc. Mgr. Dominik Heger, Ph.D.
• Reader: RNDr. Jaromír Jirkovský, CSc., RNDr. Tomáš Slanina, Ph.D., doc. Mgr. Martin Vala, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology