New particle formation (NPF) over the Eastern Mediterranean: occurrence and their role in cloud condensation nuclei and cloud droplet formation

Abstract

New particle formation (NPF) is an atmospheric phenomenon, observed in many environments globally, that contributes to a major fraction (50%) of the global aerosol number budget thereby affecting climate, air quality, and human health. In this thesis, we examine the drivers behind NPF in two different environments in the Eastern Mediterranean, analyze the regional character of such events, and their impact on cloud condensation nuclei (CCN) and cloud droplet number concentrations (CDNC or N_d). Additionally, we analyse particle number size distribution (PNSD) data for characterization and source apportionment purposes at an urban background site in central Athens.To investigate the exact mechanism triggering NPF, concurrent PNSD measurements spanning a 2-year period were conducted in the urban environment of Athens, and at the regional background site of Finokalia, Crete, situated 350 km south. The analysis revealed NPF events with a relative frequency of 20% at both sites, with all events occurring during midday thus highlighting the crucial role of photochemistry. We observed simultaneous NPF events at both sites on 5% of the total examined days. The simultaneous events were all related to air masses stemming from the Northern sector, thus advocating the regional character of an event in the extended geographical area under study. The intensive regional NPF events tend to occur concomitantly at both sites under low condensation sink conditions, elevated SO_2, low relative humidity, and low dynamic (i.e. formation and growth rates) parameters. Utilizing additional PNSD measurements from an urban background site in the Middle East (Amman), we also investigated the regional mechanism of NPF in the Eastern Mediterranean and Middle East, sites that are separated by 1,300 km. We discovered that NPF events may spread to even greater distances, as we detected simultaneous NPF event days between all three sites. All events were associated with the Northen air masses that circulated over the Eastern Mediterranean, becoming enriched in sulfur-rich precursors, which further favors the NPF and growth process.To evaluate the impact of NPF on CCN and CDNC, we analysed 7 years of PNSD and aerosol chemical composition data from the remote background site at Finokalia. A new method was introduced to estimate the onset and time duration of the influence on CCN levels of 162 observed NPF episodes. We found that NPF increases CCN number concentrations from 29% to 77% after its onset, and during the afternoon. Using a droplet parameterization, we further quantified the effect of NPF on CDNC at typical updraft velocities (w=0.3 m s-1) in clouds. We showed that NPF increases the CDNC by 13%, and that the supersaturations that develop are extremely low (0.03% to 0.27%). The effect of low supersaturations levels, due to water vapor competition, helps to explain the relationship between CCN and CDNC. The competition for water vapor increases when CCN are appeared, and simultaneously suppresses the cloud formation, as the ambient maximum supersaturation (s_max) is decreased; this feature restricts the influence of NPF on CDNC, making its contribution on CDNC detectable mainly during the night.In the current urban atmosphere NPF is considered as one of the major sources of ultrafine particles (UFPs; diameter <100 nm), which cause serious adverse effects to human health. Applying statistical tools on PNSD measurements (k-means clustering and Positive Matrix Factorization; PMF), we examined the sources and temporal variability of UFPs for two typical seasonal periods (warm vs. cold), and also during a winter lockdown period. Performing k-means clustering analysis, we found 5 common clusters linked to i) high- and ii) low-traffic, iii) NPF, iv) urban background aerosol and v) regional aerosol for all studied periods, while there were two additional clusters related to nighttime anthropogenic activity. In the case of the warm period this cluster is associated with leisure activities, while during the cold and lockdown periods the respective nighttime cluster is linked with biomass burning. A PMF receptor model identified and quantified major sources contributing to particle number concentrations (PNC), which were also related to those extracted by the cluster analysis. In the warm period, the mean PNC contribution of local sources was comparable (40% vs. 60%) to that of secondary processes (regional transport, area background and nucleation). However, the local contribution was significantly enhanced (13% vs. 87%) in the cold period due to residential wood burning.

Τα φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων λαμβάνουν χώρα σε παγκόσμια κλίμακα, συμβάλλοντας σημαντικά (περίπου στο 50%) στα αριθμητικά επίπεδα των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, επηρεάζοντας σημαντικά το κλίμα, την ποιότητα του αέρα και την ανθρώπινη υγεία. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, μελετήθηκαν: i) οι συνθήκες κάτω από τις οποίες φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων παρατηρήθηκαν σε δύο διαφορετικά (αστικό έναντι ηπειρωτικού) περιβάλλοντα στην Ανατολική Μεσόγειο, ii) ο περιφερειακός τους χαρακτήρας αλλά και iii) η επίδρασή τους στους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών και στις συγκεντρώσεις νεφοσταγονιδίων. Επιπλέον, αναλύοντας πειραματικά δεδομένα αριθμητικής κατανομής μεγέθους σωματιδίων από ένα αστικό περιβάλλον της Ανατολικής Μεσογείου (Αθήνα), πραγματοποιήθηκε η ανίχνευση αλλά και η κατανομή πηγών των λεπτών σωματιδίων (σωματίδια με διάμετρο κάτω από 1 μm).Προκειμένου να εξακριβωθεί με σχετική ακρίβεια ο μηχανισμός σχηματισμού των νέων σωματιδίων, χρησιμοποιήθηκαν ταυτόχρονες μετρήσεις αριθμητικής κατανομής μεγέθους αντίστοιχου των λεπτών σωματιδίων, καλύπτοντας μια χρονική περίοδο 2 ετών, από το αστικό περιβάλλον της Αθήνας μέχρι την απομακρυσμένη τοποθεσία της Φινοκαλιάς στην Κρήτη. Οι δύο υπό μελέτη περιοχές απέχουν μεταξύ τους απόσταση περί τα 350 χλμ. Συμβάντα σχηματισμού νέων σωματιδίων παρατηρήθηκαν με συχνότητα 20% στις δύο υπό μελέτη τοποθεσίες, με τα φαινόμενα να λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της ημέρας, αναδεικνύοντας έτσι τον κρίσιμο ρόλο της φωτοχημικής δραστηριότητας. Αξίζει να σημειωθεί, ότι σε ποσοστό 5% των συνολικά εξεταζόμενων ημερών, φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων παρατηρήθηκαν σχεδόν ταυτόχρονα στην Αθήνα και στη Φινοκαλιά, όταν επικρατούσαν αέριες μάζες προερχόμενες από το βόρειο τομέα, υπογραμμίζοντας έτσι τον έντονο περιφερειακό χαρακτήρα που μπορεί να έχει ένα συμβάν σχηματισμού νέων σωματιδίων το οποίο εξελίσσεται στην ευρύτερη περιοχή του Αιγαίου. Σημαντικές ωστόσο για την ταυτόχρονη εμφάνιση τέτοιων φαινομένων είναι και : i) η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων SO_2, ii) η χαμηλή σχετική υγρασία, iii) οι μικρές αριθμητικές τιμές των δυναμικών παραμέτρων (ρυθμός σχηματισμού και ρυθμός ανάπτυξης) που χαρακτηρίζουν τα φαινόμενα αυτά, αλλά και iv) οι χαμηλες συγκεντρώσεις προϋπαρχόντων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα.Με τη χρήση επιπρόσθετων μετρήσεων αριθμητικής κατανομής μεγέθους λεπτών σωματιδίων, από μια αστική περιοχή στη Μέση Ανατολή (Αμμάν), κατορθώσαμε και μελετήσαμε εκ νέου τον περιφερειακό χαρακτήρα του μηχανισμού σχηματισμού νέων σωματιδίων στην Ανατολική Μεσόγειο και στη Μέση Ανατολή, σε τοποθεσίες που απέχουν αποστάσεις πάνω από 1.000 χλμ μεταξύ τους. Τέτοια συμβάντα μπορούν να εξελιχθούν σε μεγάλες αποστάσεις, αφού παρατηρήθηκαν ταυτόχρονες ημέρες φαινομένων σχηματισμού νέων σωματιδίων στην Αθήνα, στη Φινοκαλιά και στο Αμμάν. Όλα τα κοινά φαινόμενα έλαβαν χώρα υπό την παρουσία βόρειων αερίων μαζών, οι οποίες ταξιδεύοντας στην Ανατολική Μεσόγειο, εμπλουτίζονται με σημαντικές ποσότητες πρόδρομων ενώσεων, όπως το SO_2, οι οποίες λόγω της οξείδωσης ευνοούν περαιτέρω το μηχανισμό σχηματισμού νεών σωματιδίων αλλά και την ανάπτυξη των σωματιδίων αυτών.Προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση των γεγονότων σχηματισμού νέων σωματιδίων στους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών και στα νεφοσταγονίδια, αναλύθηκαν 7 χρόνια αριθμητικής κατανομής μεγέθους λεπτών σωματιδίων αλλά και πειραματικά δεδομένα της χημικής σύστασής τους από την απομακρυσμένη περιοχή της Φινοκαλιάς. Μια νέα μεθοδολογία εισήχθη, για την εκτίμηση με σχετική ακρίβεια της έναρξης και της χρονικής διάρκειας της επίδρασης των 162 καταγεγραμμενων συμβάντων σχηματισμού νέων σωματιδίων στους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών. Τα γεγονότα σχηματισμού νέων σωματιδίων αυξάνουν τις αριθμητικές συγκεντρώσεις των πυρήνων συμπύκνωσης νεφών σε ποσοστό 29% με 77% και όλα κατά τη διάρκεια του απογεύματος. Βασιζόμενοι στις αριθμητικές κατανομές μεγέθους των λεπτών σωματιδίων, στη χημική τους σύσταση και στην ταχύτητα ανύψωσης, υπολογίστηκαν οι αριθμητικές συγκεντρώσεις των νεφοσταγονιδίων, καθώς και η μέγιστη τιμή υπερκορεσμού (s_max) που επικρατεί στα νέφη. Η επίδραση των νέων σωματιδίων στο πλήθος των νεφοσταγονιδίων είναι μικρότερη συγκριτικά με την επίδρασή τους στο πλήθος των πυρήνων συμπύκνωσης νεφών, αφού κυμαίνεται μεταξύ 7 - 13%, μεταβαίνοντας από χαμηλότερες (0,3 m s^(-1)) σε υψηλότερες (=0,6 m s^(-1)) ταχύτητες ανύψωσης. Tα γεγονότα σχηματισμού νέων σωματιδίων αφήνουν σχεδόν ανέγγιχτο το πλήθος των νεφοσταγονιδίων και τις μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών. Η παραπάνω διαφορετική «συμπεριφορά» μεταξύ πυρήνων συμπύκνωσης νεφών και νεφοσταγονιδίων οφείλεται στα διαφορετικά επίπεδα υπερκορεσμού. Ο «ανταγωνισμός» για υδρατμούς αυξάνεται υπό την παρουσία μεγάλου αριθμού πυρήνων συμπύκνωσης νεφών, καταστέλλοντας παράλληλα το σχηματισμό νεφοσταγονιδίων, αφού μειώνεται σημαντικά ο μέγιστος υπερκορεσμός. Το χαρακτηριστικό αυτό εμποδίζει σημαντικά την επίδραση των γεγονότων σχηματισμού νέων σωματιδίων στα νεφοσταγονίδια, καθιστώντας την όποια συμβολή τους ανιχνεύσιμη κυρίως κατά τη διάρκεια της νύχτας.Στις αστικές περιοχές τα φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων θεωρούνται από τις σημαντικότερες πηγές των υπέρλεπτων σωματιδίων (σωματίδια με διάμετρο κάτω από 100 nm), τα οποία προκαλούν σοβαρές και επώδυνες επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Με την εφαρμογή στατιστικών εργαλείων (k-means cluster analysis και Positive Matrix Factorization, PMF) στις μετρήσεις αριθμητικής κατανομής μεγέθους λεπτών σωματιδίων, μελετήθηκαν οι πηγές και η χρονική μεταβλητότητα των υπέρλεπτων σωματιδίων για δύο τυπικές εποχιακές περιόδους (καλοκαίρι vs. χειμώνας), καθώς και κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου της καραντίνας. Από την εφαρμογή της k-means cluster analysis, εντοπίστηκαν 5 κοινές πηγές για όλες τις υπό μελέτη χρονικές περιόδους, οι οποίες συνδέονται με: i)την άμεση ii) την έμμεση κυκλοφορία των οχημάτων, iii) τα γεγονότα σχηματισμού νέων σωματιδίων, iv) τα αερολύματα αστικού υποβάθρου και v) τα μεταφερόμενα αερολύματα προς το κέντρο της Αθήνας, ενώ παρατηρήθηκαν και δύο επιπλέον πηγές που σχετίζονται με τη νυχτερινή ανθρωπογενή δραστηριότητα. Στην περίπτωση της θερμής περιόδου η πηγή αυτή συνδέεται με δραστηριότητες αναψυχής, ενώ κατά τις ψυχρές περιόδους η αντίστοιχη πηγή κατά τη διάρκεια της νύχτας συνδέεται με την καύση βιομάζας. Με το στατιστικό μοντέλο PMF εντοπίστηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν οι σημαντικότερες πηγές που συμβάλλουν στις αριθμητικές συγκεντρώσεις των λεπτών σωματιδίων, οι οποίες σχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με τις αντίστοιχες πηγές που εξήχθησαν από την k-means cluster analysis. Κατά τη θερμή περίοδο, η συμβολή των τοπικών πηγών στα μέσα αριθμητικά επίπεδα των λεπτών σωματιδίων ήταν συγκρίσιμη με εκείνη των δευτερογενών διεργασιών (π.χ. περιφερειακές μεταφορές, υπόβαθρο περιοχής, ατμοσφαιρική πυρηνοποίηση) (40% vs. 60%, αντίστοιχα). Ωστόσο,η συνεισφορά από τις τοπικές πηγές ενισχύθηκε σημαντικά (13% vs. 87%) κατά την ψυχρή περίοδο εξαιτίας της καύσης βιομάζας για τη θέρμανση των κατοικιών.