Particulate matter formation potential of gas-phase emissions over Germany
Creators: name: Janssen, Ruud
name: Geers, Leon
name: Kranenburg, Richard
Publisher: name: Umweltbundesamt
Year: 2023
Subjects: subject: Schwebstaub
subject: air pollutants
subject: particulate matter
subject: formation potential
subject: emissions reduction
subject: Air

description: Feinstaub (PM) ist der Luftschadstoff, der in Deutschland und anderen europäischen Ländern für die höchste Krankheitslast verantwortlich ist. Deshalb sind Maßnahmen erforderlich, um die Feinstaubkonzentration in der Luft zu senken. Ein großer Teil des Feinstaubs wird jedoch nicht direkt emittiert, sondern aus gasförmigen Vorläufersubstanzen in der Atmosphäre gebildet. Daher ist es dringend notwendig, den Beitrag gasförmiger Emissionen (NOx, SO2, NH3 und organische Stoffen) zur Konzentration sekundärer anorganischer und organischer Aerosolpartikel (SIA bzw. SOA) zu ermitteln. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, Faktoren für das PM-Bildungspotenzial gasförmiger Emissionen abzuleiten, um die Folgen von Emissionsminderungen für die atmosphärische PM-Belastung und die daraus abgeleitete Exposition zu bewerten. Zu diesem Zweck wird der Bildungsfaktor (FF) verwendet. Er gibt die Veränderung der Konzentration einer bestimmten PM-Komponente an, die sich aus einer Veränderung ihrer (Vorläufer-)Emissionen ergibt. Der Aufnahmefaktor (IF) wurde angewandt, um die Veränderung der Exposition der Bevölkerung gegenüber einer bestimmten PM-Komponente aufgrund von Veränderungen ihrer (Vorläufer-)Emissionen zu bewerten. In dem Bericht werden auch die Gründe für die Verwendung dieses Ansatzes im Vergleich zu anderen Methoden zur Quantifizierung der PM-Bildung aus gasförmigen Vorläufersubstanzen erörtert. LOTOS-EUROS wird als chemisches Transportmodell (CTM) verwendet, um die Bildung, den Transport und den Abtransport von (sekundärem) Feinstaub aus der Atmosphäre zu beschreiben. Die wichtigsten Wege der SIA-Bildung sind bekannt. Für organisches Aerosol ist das Prozessverständnis relativ gering, obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht wurden. Mit LOTOS-EUROS haben wir Referenzsimulationen für SIA und OA durchgeführt, die im Jahresmittel eine SIA-Konzentration von 5,5 mikrog/m-3 und eine OA-Konzentration von 1 mikrog/m-3 OA über Deutschland im Jahr 2018 ergaben. Nitrat und primäres organisches Aerosol (POA) tragen in ganz Deutschland den größten Massenanteil zur SIA- bzw. OA-Konzentration bei. Die POA Konzentrationen werden trotz der Einbeziehung der kondensierbaren PM-Emissionen unterschätzt. Auf der Grundlage dieser Referenzläufe wurden Emissionsminderungsszenarien für (Vorläufer- )Substanzen und bestimmte Sektoren durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die SIA- und OA-Konzentrationen am empfindlichsten auf Emissionsminderungen in der Landwirtschaft bzw. bei der Verbrennung in Haushalten reagieren. Die Substanzen, die am stärksten für diese Verringerungen verantwortlich sind, sind NH3 in der Landwirtschaft und POA bei der Verbrennung in Wohngebäuden. Die Reduktionsszenarien ergaben FFs für SIA von etwa 0,001 mikrog m-3 kt-1, für SOA dagegen von etwa 0,006 mikrog m-3 kt-1. Für PPM liegt diese Zahl bei etwa 0,01 mikrog m-3 kt-1. Das bedeutet, dass 1 kt NOX-Emissionen aus einem bestimmten Sektor zu einer etwa zehnmal geringeren PM-Bildung führt als 1 kt PPM-Emission. Die berechneten SIA-Aufnahmefaktoren für alle Vorläuferstoffe (NOX, SO2 und NH3) lagen bei etwa 0,3 x 10-6 kg/kg gegenüber 4 x 10-6 kg/kg für OA, was mit der Literatur übereinstimmt. Außerdem haben wir festgestellt, dass die FF und IF bei den in dieser Studie verwendeten Auflösungen (7x7 km2 gegenüber 2x2 km2) und der interannuellen Variabilität nicht sehr empfindlich auf die Modellauflösung reagieren. Schließlich wurde ein Toolkit entwickelt, um FF- und IF-Berechnungen aus Simulationsdaten zu ermöglichen und das SIA-Bildungspotenzial für alternative Emissionsminderungsszenarien abzuschätzen, ohne die Ergebnisse des CTM direkt zu verwenden. Quelle: Forschungsbericht
description: Particulate matter (PM) is the air pollutant that is responsible for the highest burden of disease in Germany and other European countries. Therefore, measures are needed to reduce its ambient concentrations, but a large proportion of PM is not emitted directly: it is formed from gaseous precursors in the atmosphere. Hence, there is an urgent need to assess the contribution of gaseous emissions to the concentration of secondary inorganic and organic aerosol particles (SIA and SOA, respectively). The main objective of this project is to derive factors for the PM formation potential of gaseous emissions in order to assess the consequences of emission reductions for the atmospheric PM load and the derived exposure. For this purpose, the formation factor (FF) is applied. It indicates the change in concentration of a certain PM component resulting from a change in its (precursor) emissions. The intake factor (IF) was applied to assess the change of population exposure of a certain PM component resulting from changes in its (precursor) emissions. The report also discusses the reasoning to use this approach compared to other methodologies to quantify PM formation from gaseous precursors. LOTOS-EUROS is used as the chemical transport model (CTM) to describe the formation, transport and removal from the atmosphere of (secondary) particulate matter. The most important pathways of SIA formation are known. For organic aerosol, the level of process understanding is relatively low, although a lot of progress has been made over the last years. With LOTOS-EUROS, we performed reference simulations for SIA and OA, yielding annual mean SIA concentration of 5.5 Ìg/m3 and annual mean OA concentration of 1 mikrog/m3 OA over Germany in 2018. Nitrate and primary organic aerosol (POA) appear to contribute the largest mass fraction to SIA and OA levels across Germany, respectively. POA concentrations are underestimated despite the inclusion of condensable PM emissions. Based on these reference runs, emission reduction scenarios were performed for (precursor) species and specific sectors. SIA and OA concentrations were found to be most sensitive to reductions in Agriculture and Residential Combustion, respectively. The species that mostly account for these reductions are NH3 for Agriculture and POA for Residential combustion. The species reduction scenarios gave FFs for SIA of about 0.001 mikrog m-3 kTon-1, against about 0.006 mikrog m-3 kTon-1 for SOA. As for PPM this number is about 0.01 mikrog m-3 kTon-1, this means that 1 kTon of NOx emissions from a certain sector leads to a roughly tenfold smaller PM formation than 1 kTon of PPM emission. Calculated SIA intake factors for all precursors (NOx, SO2, and NH3) were around 0.3 x 10-6 kg/kg, versus 4 x 10-6 kg/kg for OA, which is in line with the literature. Further, we found that the FF and IF are not very sensitive to model resolution at the resolutions that we applied in this study (7x7 versus 2x2 km2) and interannual variability. Finally, a toolkit was developed to enable FF and IF calculations from simulation data and to estimate the SIA formation potential for alternative emission reduction scenarios without using the results of the CTM directly. Quelle: Forschungsbericht
description: Particulate matter (PM) is the air pollutant that is responsible for the highest burden of disease in Germany and other European countries. Therefore, measures are needed to reduce its ambient concentrations. A large proportion of PM is not emitted directly: it is formed from gaseous precursors in the atmosphere. Hence, there is an urgent need to assess the contribution of gaseous emissions (NOX, SO2, NH3 and organic substances) to the concentration of secondary inorganic and organic aerosol particles in the selection of measures. The report derived factors for the PM formation potential of gaseous emissions in order to be able to assess the effect of emission reductions on atmospheric PM pollution and the resulting exposure.Based on various simulations with the chemical transport model LOTOS-EUROS, the effects of emission reduction scenarios on the formation of particulate matter are shown, taking into account (precursor) emissions and secondary particulate matter.In addition, the development of a toolkit is documented, which enables the calculation of factors from simulation data and allows the potential for alternative emission reduction scenarios to be estimated without further chemical transport modelling.