Atmospheric acidity and aerosol nitrate formation

Abstract

Atmospheric particles, also known as atmospheric aerosols, are suspended particles (liquid or solid) with diameters ranging from a few nanometers to 100 μm. Atmospheric aerosols affect the Earth’s radiant budget and hence the global climate through their direct and indirect radioactive effects, and also have a negative impact on human health. They can be classified as primary (emitted directly in the particulate phase) or secondary (formed in the atmosphere via chemical reactions involving gas-phase precursors). Atmospheric particles consist of a mixture of inorganic and organic chemical compounds, including nitrate, sulfate, ammonium, organic compounds, elemental carbon, sea salt, soil and water dust, with nitrates being one of the most important inorganic compounds of particles in polluted areas. Acidity is an important atmospheric aerosol property that drives a series of processes related to gas-particle partitioning and heterogeneous chemistry. pH affects the nitrogen cycle through the HNO3/NO3- and NH3/NH4+ gas-particle partitioning. Adverse health outcomes have been linked to strong aerosol acidity by some studies, like respiratory diseases and lung and laryngeal cancers in humans. Chemical transport models are tools well suited for the simulation and detailed study of atmospheric processes. Historically, chemical transport models have had major problems in reproducing the observed aerosol nitrate concentrations in both the US and Europe. Also, it is important that even though aerosol pH affects many processes, the size-dependence of the aerosol pH is not simulated in detail by chemical transport models.This thesis uses the 3-D chemical transport model PMCAMx over US with high grid resolution and in combination with a Plume-in-Grid sub-model to improve the aerosol nitrate predictions. Also, size-resolved aerosol pH predictions over Europe during May 2008 were made for the first time and their variation with time, height, presence of dust is studied, along with their impact on inorganic nitrate.

Τα αιωρούμενα ατμοσφαιρικά σωματίδια, γνωστά και ως ατμοσφαιρικά αεροζόλ, είναι στερεά ή υγρά και έχουν διαμέτρους που κυμαίνονται από μερικά νανόμετρα έως και 100 μικρόμετρα (μm). Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια επηρεάζουν το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης και συνεπώς το κλίμα σε παγκόσμια κλίμακα τόσο άμεσα όσο και έμμεσα, ενώ έχουν ιδιαίτερα αρνητικές επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία. Μπορούν να ταξινομηθούν ως πρωτογενή (εκπεμπόμενα απευθείας στη σωματιδιακή φάση) ή δευτερογενή (σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων αερίων οργανικών ενώσεων). Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια αποτελούνται από ένα μείγμα ανόργανων και οργανικών χημικών ενώσεων, συμπεριλαμβανομένων των νιτρικών, θειικών, αμμωνιακών, οργανικών ενώσεων, στοιχειακού άνθρακα, θαλάσσιου άλατος, σκόνης εδάφους και νερού, με τα νιτρικά να αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα ανόργανα συστατικά των σωματιδίων σε περιοχές με υψηλή συγκέντρωση ρύπων. Η οξύτητα είναι μια σημαντική σωματιδιακή ιδιότητα που επηρεάζει πολλές διεργασίες που σχετίζονται με τον καταμερισμό μεταξύ αέριας και σωματιδιακής φάσης και την ετερογενή χημεία. Το pH επηρεάζει τον κύκλο των νιτρικών μέσω του καταμερισμού μεταξύ αέριας-σωματιδιακής φάσης των HNO3/NO3- και NH3/NH4+. Σημαντικά προβλήματα υγείας έχουν παρατηρηθεί λόγω ισχυρής οξύτητας, όπως αναπνευστικά προβλήματα και καρκίνος πνεύμονα και λάρυγγα στους ανθρώπους. Κατάλληλα εργαλεία για την προσομοίωση και λεπτομερή μελέτη των ατμοσφαιρικών διεργασιών αποτελούν τα μοντέλα χημικής μεταφοράς. Ιστορικά, τα μοντέλα χημικής μεταφοράς έχουν πρόβλημα στο να αναπαράγουν τις παρατηρούμενες συγκεντρώσεις νιτρικών, οδηγώντας σε υπερ-πρόβλεψή τους τόσο σε Αμερική όσο και σε Ευρώπη. Επίσης, είναι σημαντικό πως ενώ το σωματιδιακό pH επηρεάζει πολλές διεργασίες, δεν προβλέπεται λεπτομερώς συναρτήσει του μεγέθους των σωματιδίων από τα μοντέλα χημικής μεταφοράς. Η εργασία αυτή χρησιμοποιεί το τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx στην Αμερική με υψηλή ανάλυση πλέγματος καθώς και σε συνδυασμό με ένα υπομοντέλο θυσάνου προκειμένου να βελτιωθούν οι προβλέψεις των σωματιδιακών νιτρικών. Επιπλέον, πραγματοποιούνται για πρώτη φορά προβλέψεις pH για διάφορα μεγέθη σωματιδίων στην Ευρώπη το Μάιο 2008 και μελετάται η μεταβολή τους με το χρόνο, το ύψος, την ύπαρξη σκόνης, καθώς και η επίπτωσή τους στα σωματιδιακά νιτρικά.