Characterization of atmospheric aerosol particles using in-situ techniques: optical, chemical and hygroscopic properties
- Autores: Gloria Titos Vela
- Directores de la Tesis: Lucas Alados-Arboledas (codir. tes.), Inmaculada Foyo Moreno (codir. tes.), Hassan Lyamani (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco José Olmo Reyes (presid.), A. S. Kowalski (secret.), Maria João Tavares da Costa (voc.), José Andrés Alastuey Urós (voc.), Evangelos Gerasopoulos (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
Resumen Esta tesis doctoral se centra en la caracterización de las partículas del aerosol atmosférico utilizando técnicas de medida in-situ desde superficie. Para ello se ha realizado un análisis completo de las propiedades químicas y ópticas de las partículas del aerosol atmosférico, incluyendo los efectos de higroscopicidad.
Se ha realizado un análisis químico completo para el periodo 2006-2010 con especial énfasis en la estacionalidad de las fracciones fina y gruesa del aerosol atmosférico. Durante el periodo de estudio, se ha observado un descenso significativo en los valores de PM10 y de la mayoría de sus constituyentes, estando este descenso especialmente marcado en los niveles de materia mineral y de carbón de origen no mineral. Además, las principales fuentes emisoras que contribuyen a las fracciones fina y gruesa del aerosol atmosférico se han identificado y cuantificado por medio de la técnica Positive Matrix Factorization (PMF) o factorización matricial positiva. Con este análisis se identificaron cinco fuentes en el modo grueso y cuatro en el fino. A pesar de no ser muy común, el uso de la fracción fina y gruesa de forma independiente en el análisis de PMF resultó ser de gran utilidad para discriminar fuentes adicionales de aerosol.
La composición química de las partículas del aerosol atmosférico contribuye, entre otros factores, a sus propiedades ópticas. Con el objetivo de estudiar la relación existente entre las propiedades ópticas del aerosol y su composición química, se han combinado los coeficientes de dispersión y absorción de aerosoles con la composición química de las fracciones PM10 y PM1 para calcular las eficiencias másicas de dispersión y absorción durante un periodo de un año. Se han aplicado diferentes metodologías existentes para determinar las eficiencias másicas de las fracciones fina y gruesa así como de los principales componentes químicos del aerosol. Este estudio contribuye a un mejor conocimiento de las propiedades dispersantes de los diferentes compuestos atmosféricos ya que muchos trabajos previos han considerado sólo el sulfato o el PM total para dar cuenta del coeficiente de dispersión de aerosoles. Se ha encontrado que las partículas finas extinguen la radiación de forma más eficiente que las partículas gruesas, y entre los constituyentes del aerosol atmosférico estudiados, el sulfato de origen no marino es el que tiene una mayor eficiencia másica de dispersión mientras que el polvo mineral es el que presenta la menor eficiencia másica de dispersión. Por otro lado, el proceso de absorción se encuentra dominado por las partículas carbonosas.
La habilidad de las partículas del aerosol atmosférico para captar agua también afecta las propiedades ópticas del mismo. Las partículas de aerosol pueden captar agua dependiendo de su tamaño, composición química y de la humedad relativa ambiente. Al hacerlo, crecen en tamaño y dispersan más radiación. Este cambio en el coeficiente de dispersión implica cambios en las estimaciones de forzamiento radiativo. Puesto que el coeficiente de dispersión se mide normalmente en condiciones secas (humedad relativa inferior al 40%), conocer el realce en el coeficiente de dispersión debido al crecimiento higroscópico es de gran importancia para poder convertir las medidas realizadas en condiciones secas en datos a humedad relativa ambiente, de mayor importancia climática. Para medir el factor de realce en el coeficiente de dispersión, f(RH=85%), se ha desarrollado y construido en el marco de esta tesis doctoral un sistema de humidificación para el nefelómetro integrante. Una vez verificado el correcto funcionamiento del humidificador en el laboratorio, se han llevado a cabo dos campañas de medida en Granada durante el invierno y la primavera. Los resultados obtenidos durante las campañas de medida se presentan en esta tesis. Se ha encontrado que el factor f(RH=85%) posee un marcado patrón diurno caracterizado por dos mínimos durante las horas de tráfico intenso, asociado con el aumento de la fracción no higroscópica (carbono negro y polvo) debido al tráfico rodado. La composición química es un factor determinante en las propiedades higroscópicas del aerosol. En este sentido, se ha encontrado que el factor f(RH=85%) decrece conforme aumenta la fracción de materia orgánica. Finalmente, el efecto de la humedad relativa en las estimaciones de forzamiento radiativo ha sido evaluado.
La dependencia del coeficiente de dispersión con la humedad relativa se ha investigado también en un lugar de estudio de características muy diferentes a las encontradas en Granada (Cape Cod, Massachusetts). El factor f(RH=85%) en Cape Cod es considerablemente más alto que en Granada, debido fundamentalmente a la influencia del aerosol marino. El fenómeno de delicuescencia se ha estudiado a través de las diferencias en la curva f(RH)-RH para humedades relativas por encima y por debajo de 65%. Finalmente, se ha encontrado una relación entre el albedo de dispersión simple y el exponente de Ångström de dispersión con la higroscopicidad del aerosol. En este sentido, se propone una ecuación exponencial capaz de estimar de forma satisfactoria la higroscopicidad del aerosol atmosférico como función del albedo de dispersión simple en Cape Cod.
- English
Abstract This PhD dissertation focuses on the characterization of atmospheric aerosol particles by means of ground-based in-situ techniques. To this end, a complete analysis of aerosol chemical and optical properties, including aerosol hygroscopicity, has been done.
A complete chemical analysis has been performed for the period 2006-2010 with special focus on the seasonality of fine and coarse fractions. A significant decreasing trend in PM10 levels has been observed related with a decrease in most of its constituents, specially marked in mineral matter levels and non-mineral carbon. In addition, the main aerosol sources contributing to the fine and coarse aerosol mass concentration were identified and apportioned by means of the Positive Matrix Factorization technique. This analysis resulted in the identification of five sources in the coarse fraction and four in the fine fraction. In spite of being relatively uncommon, the use of fine and coarse PM in the PMF analysis separately was found to be very useful to discriminate additional sources.
Chemical composition of aerosol particles contributes, among other factors, to the aerosol optical properties observed. In order to find the relationship between aerosol optical properties and the chemical composition, the total scattering and absorption coefficients and speciated PM10 and PM1 data were combined for a period of one year to calculate the mass scattering and absorption efficiencies. Different existing methodologies (measurement method and Multiple Linear Regression method) were applied to determine the mass efficiencies of fine and coarse aerosol particles and of the different chemical constituents. This contributes to a better knowledge of the scattering properties of the different species since many previous works used only sulphate or bulk PM to account for the total scattering coefficient. Fine particles were found to extinct light more efficiently than coarse particles. Among the different aerosol constituents, SO42-nm exhibited the largest mass scattering efficiency and dust aerosols presented the lowest mass scattering efficiency. On the other hand, the absorption process was found to be mainly dominated by carbonaceous particles.
The ability of aerosol particles to take up water also affects the aerosol optical properties observed. Aerosol particles can take up water depending on their size, chemical composition and ambient relative humidity, RH. They become larger in size than their dry counterparts, and hence, scatter more light. This change in the scattering coefficient results also in changes in the radiative forcing estimations. Since the aerosol scattering coefficient is typically measured at dry conditions, knowledge of the scattering enhancement due to water uptake is of great importance in order to convert dry measurements into more relevant ambient data. For measuring the scattering enhancement due to water uptake, a humidification system was developed and built in the frame of this thesis for an integrating nephelometer. After successfully testing the humidifier in the laboratory, two measurement campaigns were conducted in Granada during winter and spring seasons. The results obtained during these measurement campaigns are presented in this thesis. The scattering enhancement factor, f(RH=85%), was found to undergo a clear diurnal pattern. The two f(RH=85%) minima were connected to the relative increase of the non-hygroscopic fraction (such as black carbon and road dust) due to traffic emissions during the traffic rush hours. The chemical composition was found to be very important in determining the aerosol hygroscopic properties. The f(RH=85%) decreased for increasing mass fraction of particulate organic matter. Finally, the effect of RH on the radiative forcing estimations was accounted for.
The RH dependency of the scattering coefficient was also investigated at a different location, Cape Cod (Massachusetts, USA). The f(RH=85%) was found to be higher than in Granada mainly because of the influence of marine aerosols. The aerosol deliquescence was studied by investigating the differences in the f(RH) versus RH curve for RH above and below 65%. A clear relationship between the single scattering albedo, ¿0, and the scattering Ångström exponent, SAE, with aerosol hygroscopicity was observed. In this sense, we propose an exponential equation that successfully estimates aerosol hygroscopicity as a function of ¿0 at Cape Cod.
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