Simulating the sources of organic aerosol in the atmosphere

Abstract

Atmospheric particulate matter can cause serious health problems in human health. Also they can reduce the visibility and they act as cloud condensation nuclei. Through the absorption and the scattering they can have a big influence on the energy balance of the planet.The organic components of particulate matter contribute more than 50% to their total mass. Organic aerosols (OA) are emitted into the atmosphere directly as primary organic aerosols or they can be formed through the condensation of low volatility products, which are formed through the oxidation of volatile organic compounds, on existing particles.The contribution of secondary organic aerosol in the atmosphere is most of the times more significant than this of primary organic aerosol. Our limited knowledge about the chemical identity of thousands of organic compounds limits significantly our ability to determine their sources and their properties.In this study we developed an algorithm which has the ability to determine the sources of the emissions of the OA as well as how many generations of oxidation reactions OA has undergone. This algorithm was used in parallel with a chemical transport model for the first time in Europe. The results showed that the sources of OA can vary significantly with the season and the region that we study. The source of residential wood burning was the most significant source during winter for all regions of Europe (20-60% of OA depending on the region). During autumn the wildfires was the most significant source especially in Russia (38%) and Balkans (36%), while during summer the biogenic emissions were the most significant source producing secondary organic aerosol. The emissions from road transport contribute less than 20% for the most of the regions, something that is in agreement with the measurements. Also a significant percentage of the OA had undergone 2 or more than 2 generations of oxidations for all periods in Europe. This percentage of “aged” OA increases from 50% during winter to 70% during summer and autumn. For remote sites such as Finokalia the contribution of multiply oxidized OA is about 90% for all periods. Also in this study we developed a method for the estimation of the local and long range transport for a specified urban site from continuous measurements. In addition we performed sensitivity analysis of a chemical transport model for the simulation of the biomass burning source, simulated separately from all the other sources of OA.

Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια σε αυξημένες συγκεντρώσεις μπορούν να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία. Επίσης ελαττώνουν την ορατότητα και δρουν ως πυρήνες συμπύκνωσης νερού κατά τη δημιουργία των συννέφων. Μέσω της σκέδασης της ηλιακής ακτινοβολία επηρεάζουν το ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη μας ψύχοντάς τον. Τα οργανικά συστατικά των ατμοσφαιρικών αιωρούμενων σωματιδίων συνεισφέρουν πάνω από 50% στην συνολική συγκέντρωση της μάζας τους. Τα οργανικά αεροζόλ (ΟΑ) εκπέμπονται στη ατμόσφαιρα είτε απευθείας ως πρωτογενή είτε δημιουργούνται επί τόπου με συμπύκνωση προϊόντων χαμηλής πτητικότητας από την οξείδωση πτητικών οργανικών ενώσεων επάνω σε προϋπάρχοντα σωματίδια ως δευτερογενή. Η συνεισφορά των δευτερογενών ΟΑ στην ατμόσφαιρα είναι σχεδόν πάντα πιο σημαντική από αυτή των πρωτογενών. Η περιορισμένη μας γνώση της χημικής ταυτότητας των χιλιάδων οργανικών συστατικών των ΟΑ, περιορίζει σημαντικά την δυνατότητά μας να προσδιορίσουμε τις πηγές τους και τις ιδιότητές τους. Στην παρούσα μελέτη αναπτύχθηκε ένας υπολογιστικός αλγόριθμος που έχει την ικανότητα να προσδιορίζει τις πηγές εκπομπών των οργανικών σωματιδίων καθώς και σε πόσες γενιές αντιδράσεων αυτά έχουν μετάσχει. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιήθηκε παράλληλα με ένα τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς για πρώτη φορά πάνω από την Ευρώπη. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι πηγές των οργανικών σωματιδίων μπορούν να διαφέρουν αρκετά με την εποχή και με την περιοχή που μελετάμε. Η καύση βιομάζας για οικιακή χρήση κυριαρχεί σαν πηγή κατά τη διάρκεια του χειμώνα για όλες τις περιοχές της Ευρώπης (20-60% του ΟΑ ανάλογα με την περιοχή). Κατά την διάρκεια του φθινοπώρου οι πυρκαγιές ήταν η σημαντικότερη πηγή ΟΑ ειδικά για τη Ρωσία (38%) και για τα Βαλκάνια (36%), ενώ τη διάρκεια του καλοκαιριού οι εκπομπές από την βλάστηση ήταν η σημαντικότερη πηγή παράγοντας δευτερογενές ΟΑ. Οι εκπομπές από τις οδικές μεταφορές συνεισφέρουν λιγότερο από 20% στις περισσότερες περιοχές, κάτι τι οποίο είναι σύμφωνο και με τις τελευταίες μετρήσεις. Επίσης το μεγαλύτερο ποσοστό του ΟΑ έχει συμμετάσχει σε δύο ή και περισσότερες γενιές αντιδράσεων για όλες τις εποχές και για όλες τις περιοχές στην Ευρώπη. Αυτό το ποσοστό των γηρασμένων ΟΑ αυξάνεται από 50% το χειμώνα σε περισσότερο από 70% κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και του φθινοπώρου. Για απομακρυσμένες περιοχές όπως η Φινοκαλιά η συνεισφορά αυτών των πολλαπλά οξειδωμένων ΟΑ είναι περίπου 90% για όλες τις εποχές. Στα πλαίσια αυτής της μελέτης αναπτύχθηκε μια μέθοδος για τον προσδιορισμό της τοπικής και μεταφερόμενης ρύπανσης σε μια αστική περιοχή από συνεχείς μετρήσεις σε ένα μόνο σταθμό. Μια επιπλέον συνεισφορά ήταν η μελέτη ευαισθησίας του τρισδιάστατου μοντέλου χημικής μεταφοράς για την προσομοίωση της καύσης βιομάζας σαν πηγής οργανικών σωματιδίων, ξεχωριστά από όλες τις υπόλοιπες πηγές.