Velká záhada v kapičce slané vody

Zdálo by se, že voda je jednoduchá a dobře známá sloučenina, která už nemá čím překvapit. A přesto, když špičkový vědecký časopis Science tradičně vyhlásil deset nejvýznamnějších vědeckých výsledků roku 2004, zařadil mezi ně nové poznatky právě o vodě. Na jejich zjištění se podílel i tým českého vědce Pavla Jungwirtha.
AUTOR: Josef Tuček
AUTOR-WEB: www.ihned.cz
Docent Pavel Jungwirth pracuje po většinu roku v pražském Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd, ale na pár týdnů až měsíců vždy odjíždí na Kalifornskou univerzitu v Irvine. Tamní mezinárodní vědecká skupina, v níž spolupracují i další ústavy z USA, Nového Zélandu a Ruska, se skládá z experimentátorů, kteří v obrovské nádrži sledují reakce mezi kapkami (aerosoly) mořské vody a znečištěným vzduchem, a z odborníků, kteří tyto chemické procesy modelují na počítači.
Mezi ty druhé patří i Pavel Jungwirth. Protože ke své práci nepotřebuje experimentální laboratoře, ale jen počítače, vozí si ji s sebou i do Prahy, kde si vytvořil svůj tým.
"Při pokusu se dá zjistit výsledek celé reakce, ale není vždycky možné sledovat všechny mezikroky," vysvětluje. "Počítačové modelování však umožňuje propočítat, co se děje s každým atomem, a předpovídat průběh budoucí reakce. Teoretické výpočty a praktické experimenty se pak navzájem doplňují a ověřují."

Chlór zůstane v polévce, ale uniká z moře
Co vlastně vědci zjistili, že si zasloužili zařazení do prestižního žebříčku Science?
Nejdříve, už koncem devadesátých let, prokázali, že z mořské vody se za přítomnosti ozónu a slunečního ultrafialového záření uvolňuje chlór. Ten je v mořské vodě vázán ve formě chloridového iontu, což (spolu s dalšími ionty) není nic jiného než rozpuštěná sůl nebo soli.
"Je ovšem těžké udělat z chloridu chlór - jinak by se vlastně člověk otrávil, když by si osolil polévku," poznamenává Pavel Jungwirth.
Jak se tedy chlór dostává z mořské vody do ovzduší? Při vlnobití. Vlna vystříkne, a když padá zpět, strhne s sebou bublinky vzduchu. Ty pak zase stoupají k hladině, tam prasknou a vynesou do ovzduší mikroskopické kapičky mořské vody, vlastně aerosoly rozpuštěného chloridu sodného a dalších solí.
Když se setkají s přízemním ozónem a současně na ně svítí slunce, spustí se kaskádová reakce, na jejímž konci jsou ve vzduchu volné molekuly chlóru.
Naštěstí jsou podstatně méně koncentrované, než když se tento plyn v první světové válce používal jako bojová látka. Nebezpečné tedy není to, že by chlór v přímořské atmosféře mohl poškodit lidské plíce, ale spíše fakt, že reaguje se složkami smogu, jako jsou oxidy dusíku a síry, takže vznikají další škodlivé sloučeniny. Přestože jsou ve hře mořské aerosoly, neplatí získané poznatky pouze pro pobřežní oblasti. Vítr totiž zanáší tyto mikroskopické aerosoly až tisíc kilometrů do vnitrozemí. Podstatným zjištěním je, že bez ozónu a jeho produktů se chlór z kapiček mořské vody prakticky uvolnit nemůže. A protože v městských aglomeracích přízemní ozón vzniká zejména z výfukových plynů automobilů, je to další minus pro současný typ automobilismu založeného na spalovacích motorech.

Ionty se neřídí učebnicemi fyziky
Potom se však z chemických rovnic vynořila záhada. Chlóru uvolněného z kapiček mořské vody a zjištěného při měřeních bylo mnohem víc, než odpovídalo dosavadní představě, že reakce mohou probíhat jen uvnitř aerosolů. Odkud se tedy chlór bere?
V kapalném aerosolu se chlorid sodný (NaCl) rozdělí na ionty sodíku a chlóru. Tyto ionty vytvářejí silnou vazbu k molekulám vody, "snaží se" být vodou obklopeny ze všech stran. Z toho ovšem vyplývá, že by se ionty měly držet uvnitř vodní kapičky, neměly by se dostat na její povrch a tam přijít do přímého kontaktu s ozónem a jeho produkty, jako je ve vlhké přímořské atmosféře například hydroxylový radikál (OH). Jenže, jak ukázala měření uvolňování chlóru, na povrchu aerosolů se přesto něco děje.
"Propočty a následným experimentálním ověřováním jsme prokázali, že některé ionty se v kapičkách chovají jinak, než předpokládaly učebnicové fyzikální teorie," konstatuje Pavel Jungwirth.
Ionty chlóru totiž patří mezi takové, jejichž elektronový oblak se na povrchu kapiček zdeformuje, takže nejsou tak silně odpuzovány z povrchu, jak předpokládaly starší teorie. Ve znečištěné atmosféře za přítomnosti slunečního záření se proto mohou na povrchu kapiček mořské soli spustit chemické reakce, které vedou k produkci chlóru.

Špinavý vzduch podporuje dosud neznámé reakce
V mořské vodě jsou však ještě další ionty, například malé množství bromidu, který je k povrchu přitahován ještě mnohem silněji než chlorid. Nejnovější měření ukazují, že povrchové reakce bromidu s ozónem výrazně ovlivňují chemii nejnižších vrstev atmosféry zejména v polárních oblastech.
Právě tento nový popis chování iontů v kapalných aerosolech vynesl práci mezinárodního vědeckého týmu, na které se významně podílí pražská výpočetní laboratoř, do žebříčku vědeckých průlomů roku 2004.
"Aerosoly jsou pro vědu stále velkou neznámou a mohou se podílet i na dalších reakcích v atmosféře, které zatím vůbec neznáme. Lidé se na nich nechtěně podílejí, když do ovzduší vypouštějí kvanta znečišťujících látek. V případě, který jsme popsali, jsou to zejména automobilové zplodiny. Kromě jiných důsledků přispívají i k uvolňování nežádoucího chlóru," shrnuje Pavel Jungwirth.