Chemical characterization of fine PM and source apportionment of organic aerosol from ambient and laboratory measurements

Abstract

Atmospheric aerosols, also known as atmospheric particles, are suspended particles (solid or liquid) in the air with diameters ranging from 1 nm to about 100 μm. Atmospheric aerosols affect the Earth's radiant budget and hence the global climate through its so-called direct and indirect radioactive effects, and also have a negative impact on human health. They can be classified as primary (emitted directly into the particle phase) or secondary (formed in the atmosphere through a series of chemical reactions). Typically, atmospheric particles consist of a mixture of inorganic and organic chemicals, including nitrates, sulfates, ammonia, organic compounds, elemental carbon, sea salt, crystalline compounds and water. The organic aerosol represents a significant fraction of the mass of atmospheric particles, but its sources and chemical composition have not yet been elucidated. Real-time high resolution aerosol mass spectroscopy was the central measurement technique used in this work. The Aerodyne High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) can continuously measure the chemical composition and size distribution of non-refractory submicron aerosol (NR-PM1). The high-resolution mass spectra provided by the instrument every few minutes contain information about both the organic aerosol sources and processes. This thesis presents the first HR-ToF-AMS measurements in two major Greek cities (Athens and Patras) and a remote site (Finokalia, Crete) and quantifies the contributions of the various sources to the corresponding organic aerosol levels. In addition, the formation of secondary organic aerosol during the photo-oxidation of m- and p-xylene, two important atmospheric aromatic hydrocarbons, is investigated in the laboratory using an atmospheric simulation chamber.

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 ακτινοβόλο προϋπολογισμό της Γης και συνεπώς το παγκόσμιο κλίμα μέσω των αποκαλούμενων άμεσων και έμμεσων ραδιενεργών επιδράσεων 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. Η φασματομετρία μάζας υψηλής ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο ήταν η κεντρική τεχνική μέτρησης που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την εργασία. Το φασματόμετρο μάζας αερολύματος υψηλής ανάλυσης (HR-ToF-AMS) έχει τη δυνατότητα να μετρά συνεχώς τη χημική σύνθεση και την κατανομή μεγέθους των λεπτόκοκκων σωματιδίων (αεροζόλ με διάμετρο μικρότερη του 1μm). Τα φάσματα μάζας υψηλής ανάλυσης που παρέχονται από το όργανο κάθε λίγα λεπτά περιέχουν πληροφορίες τόσο για τις πηγές του οργανικού αεροζόλ όσο και για τη χημική του σύνθεση. Η εργασία αυτή παρουσιάζει τις πρώτες μετρήσεις με τη χρήση του HR-ToF-AMS σε δύο μεγάλες πόλεις της Ελλάδας (Αθήνα και Πάτρα) καθώς και σε μια απομακρυσμένη περιοχή (Φινοκαλιά, Κρήτη) και μελετάται η συμβολή των διαφόρων πηγών στα αντίστοιχα επίπεδα του οργανικού αεροζόλ. Επιπλέον, ο σχηματισμός δευτερογενούς οργανικού αερολύματος (SOA) κατά τη διάρκεια της φωτο-οξείδωσης του m- και p-ξυλένιου, δύο σημαντικών αρωματικών υδρογονανθράκων, διερευνάται στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας έναν ατμοσφαιρικό θάλαμο προσομοίωσης.