海洋酸化、哺乳动物呼吸和气溶胶的形成都依赖于空气-水界面发生的化学反应。在一项新的研究中，来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们发现了二氧化碳分子从大气进入水的途径，这与他们预期的不同。

　　海洋吸收了大约30%的人为二氧化碳排放。在水中，二氧化碳形成碳酸，以对某些海洋生物有害的方式改变海洋环境。在我们体内，穿过鼻腔粘膜的空气会影响血液的pH值。

　　但是，局部化学变化的方式取决于溶解的二氧化碳如何在液体表面附近分离成两种不同的带不同电荷的离子——双电荷碳酸盐和单电荷碳酸盐。伯克利实验室的研究人员现在展示了空气-水界面碳酸盐浓度的增加，他们希望在那里找到更多的碳酸氢盐。

　　“地球的碳循环，以及哺乳动物的呼吸循环，明确涉及到二氧化碳在水面的溶解，并将其转化为碳酸氢盐和碳酸盐离子。“了解空气-水界面的反应将进一步阐明这些至关重要的过程，”研究人员金谦说，他在美国化学会杂志上发表了这项研究的理论部分。钱是伯克利实验室化学科学部的一名专职科学家。

　　发生在液-气界面的化学过程往往不同于发生在相应的散装液体中的化学过程。经典理论指出，碳酸盐应该留在散装液体中，而碳酸氢盐应该集中在表面;但是对这两种离子的详细途径的了解仍然不清楚。因为溶液的表面只占其总体积的一小部分，所以测量离子浓度是很困难的。

　　领导这项工作的加州大学伯克利分校化学系教授理查德·赛凯利(Richard Saykally)解释说:“不仅信号非常微弱，而且需要将其与系统更大的整体响应分离开来。”Saykally是伯克利实验室化学科学部的一名退休高级教师科学家。

　　Saykally和他的同事们使用了专门设计的工具来测量液体表面的微弱化学信号。这项技术被称为深紫外二次谐波产生光谱(DUV-SHG)，直接探测液体界面上的离子。

　　“我们现在可以测量碳酸盐和碳酸氢盐的相对表面数量，以及关于它们表面亲和力的热力学信息，”伯克利实验室的博士后研究员、该研究的主要作者Shane Devlin说。研究小组发现，碳酸盐比碳酸氢盐更倾向于附着在表面。

　　为了解释这种出乎意料的行为，研究人员求助于理论工具。加州大学圣地亚哥分校的Tod Pascal和他的同事们通过计算机模拟来了解碳酸盐和碳酸氢盐离子是如何形成簇的，这一过程可能是它们在表面和散装液体中浓度不同的原因。

　　他们发现，虽然聚类对碳酸盐是一个有利的过程，但对碳酸氢盐却不是。为了进一步解释光谱观察结果，钱和她的团队在国家能源研究科学计算中心(NERSC)使用珀尔马特系统进行了模拟，NERSC是美国能源部在伯克利实验室的一个用户设施。他们开发了一种方法，可以在液气界面的一个非常大的区域内计算碳酸盐和碳酸氢盐的光谱指纹。

　　模拟结果证实，碳酸盐确实对空气-水界面表现出更强的偏好。这是由于碳酸盐与钠离子的强烈配对，导致中性粒子团被吸引到表面。

　　钱说:“这是我们的计算方法第一次被用于现实的应用环境中，研究了包含大约一千个原子的气液界面。”

　　虽然令人惊讶，但这一测量结果可能会产生深远的影响。海洋表面是空气和水混合的地方，导致气溶胶液滴的形成，这在全球天气和大气模式中起着至关重要的作用。

　　随着大气中二氧化碳水平的持续上升，表面碳酸盐和重碳酸盐阴离子的比例可能会发生变化，这反过来又会影响海洋气溶胶液滴的化学性质。了解气溶胶中碳酸盐浓度增加的潜在影响对致力于预测气候变化的科学家很重要。

　　此外，碳酸氢盐是一种相对温和的离子，可以作为一种生理缓冲剂，帮助我们的血液和组织保持适当的化学和代谢功能。相比之下，碳酸盐的强度太大，无法起到缓冲作用。了解这些平衡如何变化对于彻底描述哺乳动物的呼吸作用是很重要的。

　　“因此，这些物种的界面行为和过程直接影响地球物理和生物循环。这项研究的发现将激励未来的努力，旨在确定海洋生态的后果，”Saykally说。