Atmospheric acidity and secondary inorganic aerosol formation
Authors: Κακαβάς Στυλιανός 
Published: August 2022

Τα δευτερογενή ανόργανα σωματίδια (θειικά, νιτρικά και αμμωνιακά άλατα) αποτελούν κύρια συστατικά της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Τα ατμοσφαιρικά μοντέλα χημικής μεταφοράς συχνά υπερπροβλέπουν τις συγκεντρώσεις των δευτερογενών ανόργανων λεπτόκοκκων σωματιδίων και κυρίως αυτές των νιτρικών αλάτων. Επιπρόσθετα, αρκετά από τα παγκόσμια κλιματικά μοντέλα δεν προσομοιώνουν την θερμοδυναμική των ανόργανων σωματιδίων εξαιτίας του απαιτούμενου υπολογιστικού κόστους. Αυτή η διατριβή αποτελεί μια προσπάθεια να προσδιοριστούν οι επιδράσεις που έχουν τα κατιόντα της σκόνης (ασβέστιο, κάλιο, μαγνήσιο) και η ατμοσφαιρική οξύτητα στις συγκεντρώσεις των ανόργανων σωματιδίων αλλά και να καταννοηθεί καλύτερα η σωματιδιακή οξύτητα και οι διάφορες εξαρτήσεις της. Επίσης, παρουσιάζεται το ISORROPIA-lite, μια καινούργια βελτιωμένη έκδοση του ευρέως χρησιμοποιούμενου θερμοδυναμικού μοντέλου ανόργανων σωματιδίων ISORROPIA-II.Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας εξετάζεται η υπόθεση ότι η υποεκτίμηση των εκπομπών σκόνης στα αστικά κέντρα είναι υπεύθυνη για μέρος των σφαλμάτων στις προβλέψεις των συγκεντρώσεων των σωματιδίων στην Ευρώπη από τα μοντέλα χημικής μεταφοράς. Οι προσομοιώσεις με το τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx υποδεικνύουν ότι οι αντίστοιχες εκπομπές υποεκτιμούνται κατά μία τάξη μεγέθους σε σύγκριση με τις επίσημες Ευρωπαϊκές εκπομπές. Αυτή η αλλαγή των εκπομπών αστικής σκόνης οδηγεί σε βελτιωμένες προβλέψεις συγκεντρώσεων σωματιδίων με διάμετρο μικρότερη από 10 μm ειδικά στα αστικά κέντρα και επηρεάζει τις προβλέψεις των δευτερογενών ανόργανων σωματιδίων στην Ευρωπαϊκή ατμόσφαιρα. Ειδικότερα οι προβλεπόμενες συγκεντρώσεις νιτρικών ιόντων, μειώνονται κατά μέσο όρο 20% στα λεπτόκοκκα και αυξάνονται κατά 10% στα χονδρόκοκκα.Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν οι βελτιωμένες εκπομπές για να προσομοιωθεί η οξύτητα των σωματιδίων στην Ευρωπαϊκή ατμόσφαιρα συναρτήσει του μεγέθους τους, της τοποθεσίας και του υψομέτρου με τη βοήθεια του PMCAMx. Οι προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές στο pH (έως 2 μονάδες) μεταξύ σωματιδίων με διάμετρο μικρότερη του 1 μm και χονδρόκοκκων και ότι το pH επηρεάζει τις προβλέψεις των νιτρικών ιόντων. Επιπρόσθετα, η οξύτητα των σωματιδίων αυξάνεται σημαντικά με το ύψος (έως 2.5 μονάδες).Στο τρίτο μέρος της παρούσας εργασίας προσομοιώθηκε με τη βοήθεια του PMCAMx η οξύτητα των σωματιδίων στις Η.Π.Α συναρτήσει αυτή τη φορά και της εποχής. Η οξύτητα των λεπτόκοκκων σωματιδίων είναι αυξημένη εως και 2 μονάδες κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού σε σχέση με αυτή της χειμερινής περιόδου. Στο επόμενο κομμάτι της εργασίας παρουσιάζεται η ανάπτυξη του ISORROPIA-lite, μια απλοποιημένη και επιταχυμένη έκδοση (κατά 35%) του θερμοδυναμικού μοντέλου ανόργανων σωματιδίων ISORROPIA-II. Το ISORROPIA-lite θεωρεί ότι τα ανόργανα σωματίδια περιέχουν νερό στην ατμόσφαιρα ακόμα και σε χαμηλές σχετικές υγρασίες (μετασταθερή κατάσταση) και χρησιμοποιεί για τον υπολογισμό του συντελεστή ενεργότητας ενός ζεύγους ιόντων προϋπολογισμένους πίνακες. Το ISORROPIA-lite σε σύγκριση με το ISORROPIA-II έχει την επιπλέον δυνατότητα να υπολογίζει τις συγκεντρώσεις νερού και από τα οργανικά συστατικά των σωματιδίων και να προσομοιώνει τις επιδράσεις που έχει αυτό στη θερμοδυναμική ισορροπία των ανόργανων ημιπτητικών συστατικών των σωματιδίων. Τέλος, μελετήθηκαν οι επιδράσεις που έχει το νερό από τα οργανικά συστατικά των σωματιδίων στις συγκεντρώσεις και στη σύσταση των λεπτόκοκκων σωματιδίων εφαρμόζοντας το ISORROPIA-lite στο PMCAMx για ένα ολόκληρο χρόνο στις Η.Π.Α. Οι προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι το νερό από τα οργανικά συστατικά μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στις συνολικές συγκεντρώσεις νερού των σωματιδίων και να αυξήσει τοπικά τις συγκεντρώσεις νιτρικών και αμμωνιακών ιόντων ειδικότερα σε μέρη με υψηλά επίπεδα σχετικής υγρασίας και συγκεντρώσεων λεπτόκοκκων σωματιδίων.