Γενικά χαρακτηριστικά μεταφοράς και μετασχηματισμού αέριων ρύπων - πιθανές επιπτώσεις στο περιοχικό κλίμα

Abstract

The main purpose of this work has been the study of the production, transformation and transport processes of atmospheric pollutants in the Mediterranean Region. This region is considered a key-sensitive area due to the unique climatic and air quality characteristics associated with the regional climatic patterns, the geomorphology and the coexistence of pollutants from different origin. The Mediterranean Region including the Saharan desert and important part of Europe is very often influenced by high levels of desert dust, long-range transport of pollutants from Europe and intense photochemical activity, leading to atmospheric pollutant concentrations higher than the imposed EU limit values. The processes occurring along the characteristic paths of transport, the production of various generations of pollutants and the role of mineral dust and sea-salt are under consideration in this study. The modeling tools have been revised accordingly by the development and improvement of several physico-chemical mechanisms. In particular, the new development included the impacts of desert dust on photochemical processes, the sea salt particle production and the treatment of soil dust particles as reactive agents (through the incorporation of heterogeneous chemical processes). Sensitivity tests have been carried out for each part of the development, supporting the fact that high concentrations of desert dust can reduce the photolysis rates and cause reduction of ozone and sulfate concentration (5% and 10% of the concentration without the dust influence, respectively). The implementation of the heterogeneous reactions on dust particles has revealed changes in the gaseous and particulate pollutant concentrations that, in several cases, enhanced the model performance. Large-scale model simulations have been performed for April and August, in order to better understand the transport and transformation patterns over large distances from the origin of various pollutants. The results from these simulations delineated the sensitivity of the region to the coexistence of natural and anthropogenic pollutants. The paths followed by the pollutants are driven by the meteorological conditions, as already known. The composition of the air masses though, is subject to changes because of the chemical transformations that occur during their journey. In that way, the air masses reaching Africa are enriched with 3rd generation pollutants apart from the pure natural or anthropogenic species. The average concentration of the aerosol species (sulfates, nitrates, sodium, chloride and dust) calculated for the specific simulation domain showed the dominance of sulfates and nitrates in the size section of 0.1-2.5μm (diameter), and the dominance of dust, sodium and chloride in the coarser fraction. Combining this information with the capability of each species to affect solar radiation (absorption, scatter, extinction) and taking into account their deposition pathways, interesting insights can emerge on the potential climatic and environmental impacts for the Mediterranean Region.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των μηχανισμών παραγωγής, μετασχηματισμού και μεταφοράς ατμοσφαιρικών ρύπων στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου. Η περιοχή αυτή χαρακτηρίζεται ως ιδιαίτερης ευαισθησίας λόγω των μοναδικών κλιματικών χαρακτηριστικών και της ποιότητας της ατμόσφαιρας τα οποία συνδέονται με τη γεωμορφολογία της περιοχής και τη συνύπαρξη ρύπων διαφορετικής προέλευσης. Η περιοχή της Μεσογείου συμπεριλαμβανομένης της ερήμου Σαχάρα και σημαντικού μέρους της Βορείου Ευρώπης εκτίθεται συχνά σε αυξημένες συγκεντρώσεις σκόνης, σε μεγάλης κλίμακας μεταφορά αέριων ρύπων από την υπόλοιπη Ευρώπη και σε έντονη φωτοχημική δραστηριότητα, οδηγώντας πολύ συχνά τις συγκεντρώσεις αρκετά πιο ψηλά από τα όρια που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Οι διαδικασίες που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της μεταφοράς των ατμοσφαιρικών ρύπων, η παραγωγή ρύπων διαφορετικής γενιάς και ο ρόλος της ερημικής σκόνης και του θαλασσινού αλατιού είναι τα θέματα που λαμβάνονται υπόψη και αναλύονται στην παρούσα διατριβή. Η ανάπτυξη των αριθμητικών μοντέλων συνίσταται στη μοντελοποίηση της επίδρασης της ερημικής σκόνης στους ρυθμούς φωτόλυσης των φωτοχημικών αντιδράσεων, της παραγωγής του θαλασσινού αλατιού ως αερόλυμα μέσα στο μοντέλο ατμοσφαιρικής χημείας και της διαχείρισης των σωματιδίων σκόνης ως πυρήνων εναπόθεσης αέριων ρύπων (ετερογενείς αντιδράσεις πάνω σε σωματίδια σκόνης). Σε κάθε στάδιο της ανάπτυξης πραγματοποιήθηκαν τεστ ευαισθησίας, τα οποία κατέδειξαν πως οι μεγάλες συγκεντρώσεις ερημικής σκόνης μπορούν να μειώσουν τους ρυθμούς φωτόλυσης με αποτέλεσμα τη μείωση του τροποσφαιρικού όζοντος και των θειικών σωματιδίων (μείωση 5% και 10% της συγκέντρωσης χωρίς την επίδραση της σκόνης, αντίστοιχα). Οι ετερογενείς αντιδράσεις πάνω στα σωματίδια ερημικής σκόνης έδειξαν μεταβολές στη συγκέντρωση των αέριων και σωματιδιακών ρύπων, οι οποίες σε αρκετές περιπτώσεις βελτίωσαν την απόδοση του μοντέλου. Μεγάλης κλίμακας προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για τον Απρίλιο και τον Αύγουστο, καλύπτοντας μια ευρεία περιοχή από τη Βόρεια Ευρώπη ως την Νότια Αφρική και από την Αραβική χερσόνησο μέχρι τον Ατλαντικό Ωκεανό. Οι προσομοιώσεις αυτές, έχοντας συμπεριλάβει τις νέες φυσικοχημικές διεργασίες, έδειξαν την ευαισθησία της περιοχής στη συνύπαρξη ρύπων ανθρωπογενούς και φυσικής προέλευσης. Η πορεία που ακολουθούν οι ατμοσφαιρικοί ρύποι επηρεάζεται όπως είναι γνωστό από τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες, αλλά η χημική σύσταση των ρύπων μεταβάλλεται λόγω των χημικών μετασχηματισμών που συμβαίνουν κατά το ταξίδι τους. Με αυτό τον τρόπο, οι αέριες μάζες που καταλήγουν στην Αφρική περιέχουν τρίτης γενιάς ρύπους εκτός από τους ανθρωπογενείς και φυσικούς. Η μέση συγκέντρωση θειικών και νιτρικών αερολυμάτων στην περιοχή της προσομοίωσης έδειξε να έχει μέγιστο στο μεσαίο διαμετρικό μέγεθος (0.1-2.5μm), ενώ η ερημική σκόνη, το νάτριο και το χλώριο κυριαρχούν στα μεγαλύτερα μεγέθη. Συνδυάζοντας αυτές τις πληροφορίες με την ικανότητα κάθε ρύπου να επηρεάζει την ηλιακή ακτινοβολία και λαμβάνοντας υπόψη την εναπόθεσή τους, μπορούν να προκύψουν ενδιαφέροντα συμπεράσματα για τις πιθανές κλιματικές επιπτώσεις στην περιοχή της Μεσογείου.