Simulation of the formation and growth of atmospheric nanoparticles

Abstract

Atmospheric aerosols, also known as atmospheric particulate matter (PM), are suspended particles (solid or liquid) in air, with diameters ranging from 1 nm to approximately 100 μm. PM affects the Earth’s radiative budget and thus global climate, via its so-called direct and indirect radiative effects, and also has adverse effects on human health. It can be classified as primary (emitted directly in the particulate phase) or secondary (formed in the atmosphere through a series of chemical reactions). Typically, PM consists of a mixture of inorganic and organic chemical species including nitrate, sulfate, ammonium, organic material, elemental carbon, sea salt, crustal species and water. Organic aerosol (OA) represents a significant fraction of the mass sub-micrometer PM, but its sources and chemical composition are yet to be elucidated. Black carbon (BC) is the other carbonaceous PM component and is emitted by incomplete combustion processes (biomass burning, traffic, etc.). BC contributes to global warming because it absorbs sunlight and is one of the most toxic PM constituents. Particles smaller than 100 nm are defined as nanoparticles or ultrafine particles. These particles have low mass, high number concentrations and if they manage to survive coagulation with larger particles they can become cloud condensation nuclei (CCN) affecting the cloud droplet number. The change of CCN concentration affects cloud optical properties and lifetime, perturbing the energy balance of the planet. The role of condensation of organic vapors and the chemical aging on formation and growth on ultrafine particles are still unknown. The first objective of the present work was to extend the state-of-the-art 3-D chemical transport model PMCAMx-UF to quantify the effects of organic pollutants on the nanoparticle concentrations in our atmosphere. PMCAMx-UF was applied in Europe and its predictions were evaluated against field observations from stations across Europe and a Zeppelin. The model performed well both at the ground and aloft with a tendency to overestimate the total particle number concentration. The condensation of organics led to an increase (50-120%) of the CCN concentration mainly in central and northern Europe, but decreased the concentration of particles larger than 10 nm by 10-30%. The performance of the model was improved further when later generations of reactions of organic pollutants (chemical aging) were simulated.Finally, a new model was developed which simulates not only the BC size distribution and concentration but also its mixing state in the atmosphere. The model simulates multiple particle size distributions with different proportions of BC for each aerosol population to account for the multidimensional structure of the size/composition of ambient aerosol. Simulations show that urban traffic-related and ship emissions can significantly change the mixing state of aerosols from a fully internally mixed state to an external-like mixture with multiple levels of mixing states predicted during a week-long simulation. We introduce a new mixing state index, Φ, which can range zero (external mixture) to one (internal mixture). Φ varied over Europe from 0.2 to 0.6 showing the complicated effect of fresh emissions, coagulation, condensation and photochemistry on the mixing state of BC-containing aerosol. These effects are not included in existing air quality and climate models.

Τα ατμοσφαιρικά αερολύματα, γνωστά και ως ατμοσφαιρικά σωματίδια, είναι αιωρούμενα σωματίδια (στερεά ή υγρά) στον αέρα με διαμέτρους που κυμαίνονται από 1 nm έως περίπου 100 μm. Το ατμοσφαιρικά αερολύματα επηρεάζουν τον προϋπολογισμό ακτινοβολία της Γης και συνεπώς το παγκόσμιο κλίμα μέσω των αποκαλούμενων άμεσων και έμμεσων επιδράσεων ακτινοβολίας τους, ενώ έχουν επίσης αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Μπορούν να ταξινομηθούν ως πρωτογενή (εκπεμπόμενα απευθείας στη φάση των σωματιδίων) ή δευτερογενή (σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων). Συνήθως, τα ατμοσφαιρικά σωματίδια αποτελούνται από ένα μείγμα ανόργανων και οργανικών χημικών ειδών, συμπεριλαμβανομένων των νιτρικών, θειικών, αμμωνιακών, οργανικών ενώσεων, στοιχειακού άνθρακα, θαλάσσιου άλατος, κρυσταλλικών ενώσεων και νερού. Το οργανικό αερόλυμα αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό κλάσμα της μάζας των ατμοσφαιρικών σωματιδίων, αλλά οι πηγές και η χημική του σύνθεση δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμη. Ο μαύρος άνθρακας είναι το άλλο ανθρακούχο συστατικό των ατμοσφαιρικών σωματιδίων και εκπέμπεται από ελλιπείς διεργασίες καύσης (καύση βιομάζας, κυκλοφορία κ.λπ.). Επίσης, συμβάλλει στην υπερθέρμανση του πλανήτη, επειδή απορροφά το φως του ήλιου και είναι ένα από τα πιο τοξικά συστατικά του ατμοσφαιρικού αερολύματος.Τα σωματίδια μικρότερα των 100 nm ορίζονται ως νανοσωματίδια ή πολύ λεπτά σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια έχουν χαμηλή μάζα, υψηλές συγκεντρώσεις αριθμού και αν κατορθώσουν να επιζήσουν της συσσωμάτωσης με μεγαλύτερα σωματίδια, μπορούν να γίνουν πυρήνες συμπύκνωσης νέφους επηρεάζοντας τον αριθμό των σταγονιδίων σύννεφων. Η μεταβολή της συγκέντρωσης των πυρήνων συμπύκνωσης νέφους, επηρεάζει τις οπτικές ιδιότητες του νέφους αλλά και τη διάρκεια ζωής του, διαταράσσοντας το ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη. Ο ρόλος της συμπύκνωσης των οργανικών ατμών και της χημικής γήρανσης στον σχηματισμό και την ανάπτυξη σε πολύ λεπτά σωματίδια είναι ακόμη άγνωστος.Ο πρώτος στόχος της παρούσας εργασίας ήταν να επεκταθεί το μοντέλο χημικής μεταφοράς, 3-D PMCAMx-UF, για την ποσοτικοποίηση των επιδράσεων των οργανικών ρύπων στις συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Το PMCAMx-UF εφαρμόστηκε στην Ευρώπη και οι προβλέψεις του αξιολογήθηκαν βάσει μετρήσεων από σταθμούς σε όλη την Ευρώπη και εναέριων μετρήσεων από Zeppelin. Το μοντέλο προσομοίωσε αρκετά καλά τόσο με τις μετρήσεις στο έδαφος όσο και με τις μετρήσεις του Zeppelin, με μια τάση να υπερεκτιμά τη συνολική συγκέντρωση αριθμού σωματιδίων. Η συμπύκνωση των οργανικών ουσιών οδήγησε σε αύξηση (50-120%) της συγκέντρωσης των πυρήνων συμπύκνωσης νέφους, κυρίως στην κεντρική και βόρεια Ευρώπη, αλλά μείωσε τη συγκέντρωση σωματιδίων μεγαλύτερων από 10 nm κατά 10-30%. Η απόδοση του μοντέλου βελτιώθηκε περαιτέρω όταν προσομοιώθηκαν μεταγενέστερες γενιές αντιδράσεων οργανικών ρύπων (π.χ. χημική γήρανση).Τέλος, αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο που προσομοιώνει όχι μόνο την κατανομή και τη συγκέντρωση του μεγέθους του μαύρου άνθρακα, αλλά και την κατάσταση ανάμιξης του στην ατμόσφαιρα. Το μοντέλο προσομοιώνει πολλαπλές κατανομές μεγέθους σωματιδίων με διαφορετικές αναλογίες μαύρου άνθρακα για κάθε αερόλυμα, ώστε να ληφθεί υπόψη η πολυδιάστατη δομή του μεγέθους/σύνθεσης του περιβαλλοντικού αερολύματος. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι οι εκπομπές που συνδέονται με την αστική κυκλοφορία και τις εκπομπές των πλοίων, μπορούν να αλλάξουν σημαντικά την κατάσταση ανάμειξης των αερολυμάτων, από ένα πλήρως εσωτερικά αναμεμιγμένο σε ένα εξωτερικά αναμεμιγμένο μείγμα με πολλαπλά επίπεδα συνθηκών ανάμιξης, τα οποία προβλέπονται κατά τη διάρκεια μιας εβδομαδιαίας προσομοίωσης. Για αυτό το λόγο, εισάγαμε έναν νέο δείκτη κατάστασης ανάμιξης, Φ, ο οποίος μπορεί να κυμαίνεται από το μηδέν (εξωτερικά αναμεμιγμένο μείγμα) ως τη μονάδα (εσωτερικά αναμεμιγμένο). Το Φ ποικίλει στην περιοχή της Ευρώπης από 0.2 έως 0.6, παρουσιάζοντας την περίπλοκη επίδραση των φρέσκων εκπομπών, της συσσωμάτωσης, της συμπύκνωσης και της φωτοχημείας στην κατάσταση ανάμιξης του αερολύματος που περιέχει μαύρο άνθρακα. Αυτές οι επιπτώσεις δεν περιλαμβάνονται στα υπάρχοντα μοντέλα παρατήρησης της ποιότητας του αέρα και του κλίματος.