Μελέτη της σωματιδιακής ρύπανσης της ατμόσφαιρας της Αττικής με τη χρήση της αριθμητικής προσομοίωσης

Abstract

The scope of this thesis is the numerical study of aerosol, emphasizing on natural sources and their role in atmospheric chemical processes. In this framework, an algorithm is developed, which combines parameterizations for particle production from sea and land surfaces. The resulting emission rates are incorporated into aerosol simulations over Greece, nesting over the Greater Athens Area. The air quality model applied is the Eulerian, 3D gaseous and aerosol model PMCAMx. Results of model simulations are compared to available experimental data, in order to assess the competence of the applied natural aerosol emission parameterizations. Natural emission effects on atmospheric chemistry are also studied through simulations and comparisons to measurements. The incorporation of the inorganic aerosol module ISORROPIA II into PMCAMx ensures simulation of heterogeneous chemical reactions between species of sea-salt or/and dust particles (sodium, chloride, calcium, magnesium, potassium etc) and anthropogenic pollution (nitric and sulfuric acid etc) towards secondary aerosol formation. In parallel, the numerical approach possibilities for gas-to-particle mass transfer during acids’ condensation onto particles are investigated. Instantaneous mass transfer by the equilibrium approach is compared to analytical solutions by the dynamic approach, concerning coarse sea-salt and dust aerosol surfaces onto which gases are condensed. A hybrid approach is chosen, where gases are in instant equilibrium with fine aerosol, while the equilibrium equation between gases and coarse aerosol is solved. The proper threshold diameter between approaches is further investigated, in order to achieve accuracy and computational efficiency

Αντικείμενο της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, δίνοντας έμφαση σε βασικές φυσικές πηγές προέλευσής τους και το ρόλο αυτών στις χημικές διεργασίες της ατμόσφαιρας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν αριθμητικοί κώδικες προσομοίωσης της παραγωγής σωματιδίων από θαλάσσιες και χερσαίες επιφάνειες και τα αποτελέσματά τους ενσωματώθηκαν στις αριθμητικές προσομοιώσεις της ατμόσφαιρας της Ελλάδας, εστιάζοντας στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας. Το αριθμητικό μοντέλο ρύπανσης που εφαρμόστηκε είναι το Eulerian τρισδιάστατο μοντέλο αέριας και σωματιδιακής ατμοσφαιρικής χημείας PMCAMx. Τα αποτελέσματα των ολοκληρωμένων εφαρμογών του αριθμητικού μοντέλου PMCAMx συγκρίθηκαν με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα, με κύριο στόχο την εκτίμηση της ακρίβειας των παραμετροποιήσεων των μελετώμενων φυσικών εκπομπών σωματιδίων και τη διερεύνηση των επιπτώσεων τους σε ατμοσφαιρικές χημικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα. Επομένως, από το σύνολο των διαδικασιών που προσομοιώνει το ατμοσφαιρικό μοντέλο PMCAMx, το ενδιαφέρον της παρούσας διατριβής εστιάστηκε στις χημικές διεργασίες. Η ενσωμάτωση του πρόσφατου μηχανισμού ανόργανης χημείας ISORROPIA II διασφαλίζει την προσομοίωση των ετερογενών αντιδράσεων δευτερογενούς παραγωγής σωματιδίων (θειικά, νιτρικά, αμμωνιακά), λόγω της αλληλεπίδρασης της ανθρωπογενούς ρύπανσης (νιτρικό και θειικό οξύ κ.α.) με το σύνολο των χημικών στοιχείων παραγωγής από τις θαλάσσιες (νάτριο, χλώριο) και τις χερσαίες επιφάνειες (ασβέστιο, κάλιο, μαγνήσιο). Παράλληλα, ερευνήθηκε η αριθμητική επίλυση της διαδικασίας μεταφοράς μάζας κατά τις χημικές αντιδράσεις παραγωγής δευτερογενών σωματιδίων. Η θεώρηση της άμεσης μεταφοράς μάζας (equilibrium approach) συγκρίθηκε με τον αναλυτικό τρόπο επίλυσης της σχέσης ισορροπίας των φάσεων (dynamic approach), στην περίπτωση των αδρόκοκκων σωματιδίων θαλάσσιας και χερσαίας προέλευσης. Επιλέχθηκε η συνδυαστική προσέγγιση (hybrid approach) και πραγματοποιήθηκε έλεγχος ευαισθησίας, για την επιλογή του βέλτιστου ορίου μεγέθους σωματιδίου μεταξύ των δύο προσεγγίσεων, ώστε να διασφαλίζεται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων χωρίς ανυπέρβλητο χρονικό κόστος