Mathematical modeling for instruments sizing and analyzing aerosols
Authors: Γιαμαρέλου Μαρία 
Published: August 2021

Η ποσοτικοποίηση της επίδρασης των φυσικών και ανθρωπογενών σωματιδίων στο κλίμα, σε τοπικό και παγκόσμιο επίπεδο, καθώς και στην ανθρώπινη υγεία απαιτεί την ύπαρξη πληροφοριών τόσο για το μέγεθός τους όσο και για τη χημική τους σύσταση. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη μέτρηση του μεγέθους και άλλων εγγενών ιδιοτήτων των υπέρλεπτων αιωρούμενων σωματιδίων (π.χ. πτητικότητα και υγροσκοπικότητα) είναι η ηλεκτρική κινητικότητα. Με την εμφάνιση οργάνων για τη μέτρηση αιωρούμενων σωματιδίων, οι αναλυτές διαφορικής κινητικότητας (Differential Mobility Analyzers, DMAs) είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα όργανα για την ταξινόμηση ή την επιλογή σωματιδίων σε ένα στενό εύρος κατανομής της κινητικής διαμέτρου. Όταν συνδυάζονται DMAs σε σειρά (δηλαδή σύστημα Tandem-DMA, TDMA), η κατανομή που επιλέγεται από το πρώτο DMA μετά από κατάλληλη επεξεργασία θα μελετηθεί στο δεύτερο DMA, για να καθοριστεί, για παράδειγμα, η υγροσκοπικότητα, η πτητικότητα ή η σύσταση. Το κίνητρο για αυτή τη διατριβή ήταν η περαιτέρω κατανόηση της θεωρίας που περιγράφει τη λειτουργία ενός αναλυτή διαφορικής κινητικότητας πολλαπλών μονο-μεγεθών εξόδων (MMO-DMA) και η εξέταση των ιδιοτήτων πτητικότητας και υγροσκοπικότητας αιωρούμενων σωματιδίων, τόσο δημιουργημένων σε εργαστήριο όσο και παρατηρημένων στο πεδίο.Αναλυτικές εκφράσεις έχουν αναπτυχθεί για τον υπολογισμό της συνάρτησης μεταφοράς και τη διακριτική ικανότητα των DMAs με πολλαπλές εξόδους μονο-μεγεθών σωματιδίων. Το θεωρητικό πλαίσιο που παρουσιάζεται μπορεί να εφαρμοστεί για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού DMA με περισσότερες της μίας εξόδων μονο-μεγεθών σωματιδίων αλλά και στην ανάλυση μετρήσεων, όταν τέτοιοι αναλυτές χρησιμοποιούνται σε φασματογράφους κινητικότητας αιωρούμενων σωματιδίων. Το θεωρητικό μοντέλο συγκρίνεται με πειραματικές μετρήσεις για ένα MMO-DMA με 3 εξόδους (3-MO-DMA).Συστήματα υγροσκοπικότητας TDMA (H-TDMA) έχουν χρησιμοποιηθεί τις τελευταίες δεκαετίες, τόσο σε εργαστηριακές μετρήσεις όσο και σε μετρήσεις πεδίου σε διαφορετικά περιβάλλοντα παγκοσμίως. Αυτές οι παρατηρήσεις έχουν προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την υγροσκοπική συμπεριφορά των αιωρούμενων σωματιδίων. Η τιμή του λόγου υγροσκοπικής αύξησης χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει εσωτερικά ή εξωτερικά αναμεμειγμένα σωματίδια και να παρέχει ενδείξεις για τις πηγές και τις διαδικασίες που καθορίζουν το αεροζόλ. Επομένως, ο ακριβής υπολογισμός του λόγου αύξησης είναι μεγίστης σημασίας. Αλγόριθμοι αντιστροφής δεδομένων TDMA χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των λόγων αύξησης. Οι αλγόριθμοι αντιστροφής δεδομένων TDMAfit και TDMAinv χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση TDMA μετρήσεων υγροσκοπικότητας. Η αξιολόγηση μιας τροποποιημένης έκδοσης του αλγόριθμου TDMAfit σε σύγκριση με το TDMAinv γίνεται με τη χρήση εργαστηριακών μετρήσεων και μετρήσεων πεδίου.Οι ιδιότητες υγροσκοπικότητας νεο-σχηματισμένων αιωρούμενων σωματιδίων με διάμετρο μικρότερη από 50 nm περίπου, διαφέρουν σημαντικά από αυτές των μεγαλύτερων σωματιδίων. Καθώς τα σωματίδια υπόκεινται συνεχώς σε τροποποιήσεις από διαδικασίες ατμοσφαιρικής ωρίμανσης, η υγροσκοπική συμπεριφορά των ατμοσφαιρικών σωματιδίων ποικίλει σημαντικά ανάλογα με την προέλευση των αέριων μαζών και την τοποθεσία τους. Η κατανόηση της υγροσκοπικής συμπεριφοράς των ατμοσφαιρικών αιωρούμενων σωματιδίων προϋποθέτει την πλήρη κατανόηση των ιδιοτήτων των καθαρών σωματιδίων. Νέες μετρήσεις των σχετικών υγρασιών υγροποίησης και στερεοποίησης (Deliquescence και Efflorescence Relative Humidity, DRH, ERH) και της υγροσκοπικής ανάπτυξης σωματιδίων αλογόνων του καλίου (ονομαστικά KBr, KCl, KI) με μέγεθος από 8 έως 60 nm παρουσιάζονται.Τέλος, εξετάζονται οι μηχανισμοί που οδηγούν στο σχηματισμό νέων σωματιδίων στην περιοχή πάνω από τον Αρκτικό Κύκλο. Ο χαρακτηρισμός των ατμοσφαιρικών αιωρούμενων σωματιδίων που παρατηρούνται κατά τη θερινή περίοδο στην περιοχή αυτή γίνεται με βάση: 1) τις κατανομές μεγέθους των σωματιδίων και 2) την πτητικότητα μονο-μεγεθών σωματιδίων.