グアイアコールの光分解は、水溶液中よりも氷中の方が速く、氷上ではさらに速い

Photodecay of guaiacol is faster in ice, and even more rapid on ice, than in aqueous solution.

• Ted Hullar
• Fernanda C Bononi
• Zekun Chen
• Danielle Magadia
• Oliver Palmer
• Theo Tran
• Dario Rocca
• Oliviero Andreussi
• Davide Donadio
• Cort Anastasio

抄録

スノーパックには様々な無機化合物や有機化合物が含まれており、その中には太陽光を吸収して直接光反応を起こすものも含まれている。氷中や氷上でのこれらの反応の速度が水の速度と比較してどうなのかは明らかになっていない。さらに理解を複雑にしているのは、化学物質が氷中の液体のような領域（LLR）に比べて空気-氷界面でより速く反応するかどうかについての矛盾した証拠があることである。これらの疑問を解決するために、我々は、溶液中、氷中、自然と同一の雪の空気-氷界面を含む様々な種類の試料において、グアイアコール(2-メトキシフェノール)の光分解率を測定した。水溶液と比較して、氷中のLLRでは緩やかな速度定数の増加(3〜6倍の増加)が見られ、自然と同一の雪の空気-氷界面でははるかに大きな増加(17〜77倍)が見られた。我々の計算モデルは、氷表面でのグアイアコールの赤色吸収スペクトルのシフトと増加を示唆しており、より多くの光吸収をもたらしているが、これらの変化は氷上で観測された速度定数の増加のごく一部（約２〜９％）を説明するにすぎない。このことは、量子収率の増加が氷上でのグアイアコールの光反応性の増加の主な原因であることを示している。溶液と比較して、我々の結果は、量子収率が液体のような領域では約3〜6倍、空気と氷の界面では12〜40倍大きくなることを示唆している。

Snowpacks contain a wide variety of inorganic and organic compounds, including some that absorb sunlight and undergo direct photoreactions. How the rates of these reactions in, and on, ice compare to rates in water is unclear: some studies report similar rates, while others find faster rates in/on ice. Further complicating our understanding, there is conflicting evidence whether chemicals react more quickly at the air-ice interface compared to in liquid-like regions (LLRs) within the ice. To address these questions, we measured the photodegradation rate of guaiacol (2-methoxyphenol) in various sample types, including in solution, in ice, and at the air-ice interface of nature-identical snow. Compared to aqueous solution, we find modest rate constant enhancements (increases of 3- to 6-fold) in ice LLRs, and much larger enhancements (of 17- to 77-fold) at the air-ice interface of nature-identical snow. Our computational modeling suggests the absorption spectrum for guaiacol red-shifts and increases on ice surfaces, leading to more light absorption, but these changes explain only a small portion (roughly 2 to 9%) of the observed rate constant enhancements in/on ice. This indicates that increases in the quantum yield are primarily responsible for the increased photoreactivity of guaiacol on ice; relative to solution, our results suggest that the quantum yield is larger by a factor of roughly 3-6 in liquid-like regions and 12-40 at the air-ice interface.