Ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος προσομοίωσης του ατμοσφαιρικού κύκλου του υδραργύρου

Abstract

Mercury is a highly toxic pollutant emitted to the atmosphere from various natural and anthropogenic sources. Main sources of mercury due to human activity include power plants (burning coal and oil), chemical plants (e.g. chlor-alkali plants), waste incinerators, ferrous foundries, non-ferrous metal smelters, refineries, and cement kilns. Additional contributions of mercury come from natural sources such as the earth mantle and volcanoes. Mercury is a multi-scale pollutant able to be transported and deposited at long, intermediate and near source distances. This study is focused on the development of an integrated system able to represent the atmospheric mercury cycle, namely RAMS-Hg. The modules developed to describe the physico-chemical processes of mercury have been incorporated in the Regional Atmospheric Modelling System (RAMS) version 4.3. The model deals with elemental Hg (Hg0), divalent gaseous Hg (Hg2) and particulate Hg (HgP). Basic processes like advection and diffusion already existing for passive tracers in the original model were modified accordingly. Detailed calculations of the air-surface exchange for Hg were adapted to describe Hg0 re-emissions and dry deposition of Hg2 and HgP from and to natural surfaces. A sensitivity analysis on the factors that affect these processes of mercury, such as the dry deposition velocity, soil temperature, wind speed and friction velocity has been performed. Wet deposition mechanisms used to describe the removal of Hg2 and HgP are merged with the detailed cloud microphysical scheme in order to provide better representation of the wet deposition processes. The advantages of this approach were examined through results intercomparison with CMAQ-Hg used on previous work of Bullock and Brehme (2002). An analysis of simulated Hg wet deposition versus weekly observations was performed. Results indicate that the RAMS-Hg simulates reasonably well the specific Hg wet deposition measurements made by the Hg deposition network (MDN). Simulations were also performed for the Mediterranean Sea Region for autumn, winter, spring and summer representative cases. Model output of mercury concentration have been compared with available observations of mercury concentration. Results presented, showed that the developed system is able to represent the atmospheric mercury concentrations adequately. Although further and more detailed validation is required the integrated modelling system can be considered as a reliable tool for studying the mercury processes and therefore be useful to policy makers in assessing various emission control strategies.

Το πρόβλημα της ρύπανσης από τον υδράργυρο αποτελεί αντικείμενο έρευνας από τα μέσα του 20ου αιώνα όταν οι επιπτώσεις του υδράργυρου στην ανθρώπινη υγεία άρχισαν να γίνονται αισθητές. Σήμερα είναι γνωστό ότι ο υδράργυρος εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα από φυσικές (μανδύας της γης, ηφαίστεια) και ανθρωπογενείς πηγές (καύση ορυκτών καυσίμων, πύρωση μεταλλευμάτων, παραγωγή χλωραλκαλίων) ενώ σημαντικές ποσότητες του ρύπου που έχουν προηγούμενα εναποτεθεί στην επιφάνεια, εκπέμπονται πάλι στην ατμόσφαιρα με τη διαδικασία της επανεκπομπής. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς ρύπους αποδεικνύεται ότι τα διάφορα είδη του υδράργυρου μεταφέρονται σε μικρές, ενδιάμεσες και μεγάλες αποστάσεις από την πηγή. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα προσομοίωσης του κύκλου του υδραργύρου (RAMS-Hg) με την αξιοποίηση του ατμοσφαιρικού μοντέλου RAMS (Regional Atmospheric Modeling System ). Το RAMS-Hg παρέχει τη δυνατότητα προσδιορισμού των ατμοσφαιρικών συγκεντρώσεων των κυριότερων ειδών υδραργύρου που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, του στοιχείου του (Hg0), του δισθενούς (Hg2) και των σωματιδίων (HgP) αλλά και των εναποτιθέμενων ποσοτήτων του. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βελτίωση της παραμετροποίησης των διεργασιών του υδραργύρου στην ατμόσφαιρα, με την ανάπτυξη αλγορίθμων για την περιγραφή διαδικασιών που δεν περιλαμβάνονται στα υφιστάμενα μοντέλα προσομοίωσης του κύκλου του ρύπου στην ατμόσφαιρα και κυρίως με την ενσωμάτωση αυτών των αλγορίθμων στο ατμοσφαιρικό μοντέλο. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν εστιάζονται στην παραμετροποίηση των ανταλλαγών του ρύπου ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και την επιφάνεια, ενώ βασικές διεργασίες, όπως η διάχυση, η οριζόντια και κατακόρυφη μεταφορά που υπήρχαν στο ατμοσφαιρικό μοντέλο για αδρανή στοιχεία τροποποιήθηκαν ανάλογα. Ταυτόχρονα ελέγχθηκε η δυνατότητα απόκρισης των προτεινόμενων αλγορίθμων στις μεταβολές των παραγόντων που επιδρούν στη διαδικασία αλληλεπίδρασης του ρύπου με την επιφάνεια. Ειδικότερα εξετάστηκε η απόκριση τους σε μεταβολές μεγεθών όπως η ταχύτητα ξηρής εναπόθεσης, η θερμοκρασία του εδάφους, η ταχύτητα τριβής και η ταχύτητα του ανέμου. Έμφαση δόθηκε στην παραμετροποίηση της διαδικασίας υγρής εναπόθεσης καθώς αυτή ενσωματώθηκε στο υπάρχον σχήμα μικροφυσικής νεφών του ατμοσφαιρικού μοντέλου. Η προτεινόμενη μέθοδος συμβάλλει έτσι στην εξασθένιση των αβεβαιοτήτων που σχετίζονται με τα μετεωρολογικά δεδομένα εισόδου καθώς τόσο η μετεωρολογία όσο και οι μεταβολές που υφίσταται ο υδράργυρος στην ατμόσφαιρα προσδιορίζονται παράλληλα. Τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης προσέγγισης εξετάστηκαν σε σχέση με το CMAQ-Hg που χρησιμοποιήθηκε από τους Bullock and Brehme (2002) για τον προσδιορισμό της υγρής εναπόθεσης υδραργύρου στην περιοχή των ΗΠΑ. Το RAMS-Hg εφαρμόστηκε επίσης για την ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης και της Μεσογείου για τέσσερις πειραματικές περιόδους αντίστοιχες των εποχών του έτους. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για την Ευρώπη συγκρίθηκαν με αντίστοιχες μετρήσεις των συγκεντρώσεων του ρύπου. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο παρέχει τη δυνατότητα για αξιόπιστη αναπαράσταση των συγκεντρώσεων του ρύπου στην ατμόσφαιρα και της εναποτιθέμενης ποσότητας του στην επιφάνεια του πλανήτη