Characterization and sources of atmospheric particles in different population density environments

Abstract

In order to reduce uncertainty of atmospheric particle emissions and to examine the mechanism of new particle formation from precursor gases, measurements were conducted in a megacity (Paris, France), an urban area (Patras, Greece) and a remote location (Finokalia, Greece). At Finokalia, the composition of particles with diameter smaller than 1 μm (PM₁) depended on air mass origin. The highest concentrations, and most frequent, were observed when air masses were coming from Europe. Organic aerosol was found to be 80% water soluble and the increased organic to elemental carbon ratio correlated with ozone concentration. These findings indicate that particulate matter (PM) at Finokalia was not emitted near the site but was transported from source regions hundred of kilometers away and thus the area can be considered as a background of Europe. At Finokalia, atmospheric nucleation was observed more frequently during winter when sunlight intensity was below average and favored by air masses that crossed land before reaching the site. This behavior was explained by ammonia involvement in the nucleation process. PM₁ was mainly acidic during summer and consumed all available ammonia, contrary to winter when, due to the lower sunlight intensity, particles were neutral and ammonia was available. During both seasons nucleation would only occur if particles were neutral which resulted in higher frequency of events during winter. Air masses that crossed land before reaching the site were enriched with ammonia, thus it was more likely for nucleation to occur. Number size distributions were monitored in Paris, France at fixed and mobile ground stations along with airborne measurements. The Paris plume was identified at a distance of at least 200 km from the city center and the number concentration was found to increase even by a 3-fold when air masses crossed Paris. During summer nucleation was observed approximately half of the campaign days; when the condensational sink was lower than average contrary to winter when no event was identified due to higher sink. Increased number concentration was observed at an altitude outside of the Paris plume simultaneously with new particle formation observed on the ground and was attributed to that phenomenon. At Patras, the legislated by E.U. daily PM₁₀ standards were found to be violated. Exceedances were more frequent (58 of a total of 75) during the colder months (October to March) of the year. The warmer months (April to September) 80% of the PM₂₅ was transported from other areas. Contrary during the colder months the contribution of transported PM reduced to 70% during autumn and 50% during winter, when the highest concentrations were observed on average. Local traffic contributed approximately 15% during winter and the remaining 35% was primarily due to domestic heating. PM₂₅ and PM₁ concentrations were found to exceed 100 μg m⁻³ on several occasions during nighttime due to domestic heating, either diesel or biomass combustion. Potassium, a tracer of biomass combustion, correlated well (R²=0.79) with PM₂₅ during winter indicating a biomass source. Potassium concentrations were higher within the urban premises than a rural area located 36 km away from the city, indicating that at least a portion of the biomass combustion related PM₂₅ were emitted locally.

Με σκοπό την μείωση της αβεβαιότητας των εκπομπών ατμοσφαιρικών σωματιδίων (ΑΣ) καθώς και διευκρίνισης του μηχανισμού σχηματισμού ΑΣ από την οξείδωση πρόδρομων αερίων, μετρήσεις πεδίου έλαβαν χώρα σε μία μεγαλούπολη (Παρίσι, Γαλλία), μία αστική περιοχή (Πάτρα, Ελλάδα) και σε μία απομακρυσμένη τοποθεσία (Φινοκαλιά, Ελλάδα). Στην Φινοκαλιά, η σύσταση των σωματιδίων με διάμετρο μικρότερη από 1 μm (ΑΣ₁) εξαρτιόταν από την προέλευση των αερίων μαζών. Τις υψηλότερες συγκεντρώσεις εμφάνιζαν οι αέριες μάζες από τη Ευρώπη, που ήταν και οι πιο συχνές. Οργανικές ενώσεις των ΑΣ, εμφάνιζαν, υψηλή διαλυτότητα στο νερό (80%) και αυξημένο λόγο οργανικού προς στοιχειακό άνθρακα που συσχετιζόταν θετικά με τις συγκεντρώσεις όζοντος. Όλα τα παραπάνω υποδεικνύουν πως τα ΑΣ στην περιοχή της Φινοκαλιάς μεταφέρονταν από γειτονικές περιοχές εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά και συνεπώς η περιοχή μπορεί να θεωρηθεί ως σταθμός υποβάθρου για την Ευρώπη. Στην Φινοκαλιά, το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής πυρηνογένεσης ήταν συχνότερο τους χειμερινούς μήνες, όταν η ένταση φωτός ήταν χαμηλότερη, και σε αέριες μάζες που παρέμεναν σημαντικό χρόνο πάνω από την στεριά πριν φτάσουν στον σταθμό. Αυτή η συμπεριφορά εξηγήθηκε με την συμμετοχή της αμμωνίας στην διαδικασία της πυρηνογένεσης. Τα ΑΣ₁ το καλοκαίρι ήταν κατά κανόνα όξινα και κατανάλωναν όλη την διαθέσιμη αμμωνία σε αντίθεση με τον χειμώνα, όπου εξαιτίας της χαμηλότερης έντασης φωτός, τα ΑΣ₁ ήταν ουδέτερα και υπήρχε διαθέσιμη. Και στις δύο περιόδους η πυρηνογένεση λάμβανε χώρα μόνο όταν τα σωματίδια ήταν ουδέτερα, το οποίο είχε ως αποτέλεσμα υψηλότερη συχνότητα του φαινομένου τους χειμερινούς μήνες. Οι αέριες μάζες όταν παρέμεναν πάνω από στεριά εμπλουτίζονταν με αμμωνία, αυξάνοντας την πιθανότητα πυρηνογένεσης. Κατανομές μεγέθους αριθμού μετρήθηκαν στο Παρίσι, Γαλλίας σε επίγειους σταθμούς, σταθερούς και κινητούς, καθώς και σε υψόμετρο. Ο θύσανος του Παρισιού ταυτοποιήθηκε σε απόσταση τουλάχιστον 200 km από την πόλη και οι συγκεντρώσεις αριθμού ΑΣ αύξαναν ακόμα και κατά 300% όταν οι αέριες μάζες προέρχονταν από το Παρίσι. Το καλοκαίρι πυρηνογένεση έλαβε χώρα τις μισές μέρες της δειγματοληψίας, όταν η διαθέσιμη επιφάνειας συμπύκνωσης ήταν χαμηλή, ενώ το χειμώνα, επειδή η διαθέσιμη επιφάνεια ήταν υψηλότερη, δεν ταυτοποιήθηκε το φαινόμενο. Αυξημένες συγκεντρώσεις αριθμού ΑΣ ταυτοποιήθηκαν εκτός του θυσάνου του Παρισιού ταυτόχρονα με πυρηνογένεση στο έδαφος και αποδόθηκαν σε αυτό το φαινόμενο. Στην Πάτρα τα θεσμοθετημένα από την Ε.Ε. ημερήσια όρια ΑΣ₁₀ βρέθηκαν να παραβιάζονται. Οι υπερβάσεις ήταν πιο συχνές (58 από τις 75) τους ψυχρούς μήνες (Οκτώβριο - Μάρτιο). Τους θερμούς μήνες (Απρίλιο - Σεπτέμβριο) το 80% των ΑΣ₂₅ μεταφέρονταν από άλλες περιοχές. Αντίθετα τους ψυχρούς μήνες η συνεισφορά από μεταφερόμενα ΑΣ μειωνόταν στο 70% το φθινόπωρο και 50% το χειμώνα, όταν και οι συγκεντρώσεις ΑΣ₂₅ ήταν κατά μέσο όρο οι υψηλότερες στην περιοχή. Η τοπική κυκλοφορία συνείσφερε περίπου 15% τον χειμώνα ενώ ένα σημαντικό κομμάτι από το υπόλοιπο 35% οφειλόταν στην οικιακή θέρμανση. Συγκέντρωση ΑΣ₂₅ και ΑΣ₁ ίση ή μεγαλύτερη των 100 μg m⁻³ μετρήθηκε κατ’ επανάληψη τις νυχτερινές ώρες των χειμερινών μηνών εξαιτίας της οικιακής θέρμανσης, είτε με πετρέλαιο είτε με καύση βιομάζας. Η καύση βιομάζας υποδεικνύεται από την συσχέτιση (R²=0.79) των συγκεντρώσεων ΑΣ₂₅ με τις συγκεντρώσεις καλίου, ένα δείκτη καύσης βιομάζας. Οι συγκεντρώσεις αυτού του δείκτη βρέθηκαν υψηλότερες μέσα στον αστικό ιστό από μία αγροτική περιοχή 36 km μακριά από την Πάτρα, αποκλείοντας την αποκλειστική μεταφορά ΑΣ₂₅ καύσης βιομάζας από γειτονικές περιοχές.