Black carbon and fine aerosol particles characterization at different environmental conditions in the Southeast of the Iberian Peninsula

Abstract

This PhD dissertation focuses on the characterization of fine atmospheric aerosol particles emission sources (their strength, spatial and temporal variability) at different environments by means of ground-based in-situ techniques. To this end, the aerosol microphysical and optical properties obtained by state-of-the-art instrumentation in multiple experimental campaigns performed at different environments (urban, suburban and remote high-altitude) in the southeast of the Iberian Peninsula have been analyzed and discussed. In order to take insight about the sources of fine atmospheric aerosol, their diurnal, weekly, seasonal and spatial variability in the Granada urban area, the aerosol number flux and concentration of fine particles obtained by eddy covariance technique are examined during the period from Nov/2016 to Apr/2018. The results show that the majority of aerosol number flux values are positive, suggesting that the urban site acts as a net source of aerosol particles to the atmosphere at different time scales. Concerning aerosol emissions sources, road traffic is identified as the main source in Granada urban area in all seasons. During winter, domestic heating and agricultural waste burning emissions are additional aerosol sources, while during spring and summer new particle formation processes contribute significantly to ultrafine aerosol particles. Wind sector analysis shows that the impact of domestic heating emissions from the urban area, especially at night, is much stronger than the impact of agricultural waste burning emissions from the suburban sector. With the aim to disentangle the contribution of the different aerosol sources to the total aerosol number concentration at sites influenced by biomass burning emissions, a new approach based on the Rodriguez and Cuevas (2007) and Sandradewi et al. (2008) methods has been developed. This new approach has been used to determine the contributions of both vehicle and biomass burning primary emissions and secondary aerosol to the size-segregated particle number concentrations at urban and suburban sites. This method has been applied to simultaneous measurements of aerosol number size distribution in the 12–600 nm size range and black carbon (BC) concentration obtained at both sites during winter season, when the study area is usually influenced by biomass burning emissions from domestic heating and agricultural waste burning. The results show that (1) secondary aerosol is the main contributor to the particle number concentration in all size ranges at both sites, (2) primary vehicle exhaust is the main source of primary particles with contributions >70% in all size ranges at both sites and (3) primary biomass burning particles contribute significantly to the primary particles concentrations in the 25–100 and 100–600 nm size ranges at the suburban (24% and 28%, respectively) and urban (13% and 20%, respectively) sites. In addition, new particle formation (NPF) events have been found to be an important aerosol source during summer noon hours but, on average, these events do not implicate a considerable contribution to urban particles. Despite this low contribution of NPF events to the total particle number concentration in Granada urban area, these events are of great importance for the production of cloud condensation nuclei (CCN), affecting clouds formation. Therefore, the characterization of NPF vertical distribution is of special interest. To this end, a detailed investigation of the NPF characteristics and the different factors that promote/inhibit NPF processes has been performed at two contrastive sites: urban and high-altitude remote sites. For this, simultaneous measurements of aerosol size distributions (4-500 nm) measured at both sites have been used. The analysis shows that, with NPF event frequency >70% at both sites, nucleation mode particles highly contribute to the total aerosol number concentration in summer (47 % and 48 % at mountain and urban sites, respectively). At the high-altitude remote site, NPF events have been found to be associated with the transport of gaseous precursors from lower altitudes by orographic buoyant upward flows. Nevertheless, NPF events at the high-altitude remote site have been always observed from the smallest measured sizes of the aerosol size distribution (4 nm), implying that NPF takes place in or in the vicinity of the high-altitude remote station rather than being transported from lower altitudes. Although NPF events at the mountain site seem to be connected with those occurring at the urban site, growth rates (GRs) at mountain site are higher than those at the urban site. The analysis of sulfuric acid (H2SO4) shows that the concentrations of H2SO4 can explain a minimal contribution of the observed GRs at both sites (< 1 % and < 10 % for the 7–25 and 4–7 nm size ranges, respectively), indicating that other condensing vapours are responsible for the majority of particle growth, as well as the differing growth rates between the two sites. The results also show that the condensation sink (CS) does not play a relevant role in NPF processes at both sites and points to the availability of volatile organic compounds (VOCs) as one of the main factors controlling the NPF events at the urban and high-altitude remote sites investigated.

Esta tesis doctoral se centra en la caracterización de las fuentes de emisión de las partículas finas del aerosol atmosférico (su intensidad y su variabilidad espacio-temporal) en diferentes ambientes utilizando técnicas de medida in-situ desde superficie. Para ello, se han analizado las medidas de propiedades microfísicas y ópticas del aerosol obtenidas en diferentes campañas experimentales llevadas a cabo en diferentes ambientes (urbano, suburbano y remoto de alta montaña) en el sureste de la Península Ibérica. Para conocer las fuentes de las partículas finas del aerosol atmosférico y su variabilidad diurna, semanal, estacional y espacial en el área urbana de Granada, se ha analizado la concentración numérica de partículas y su correspondiente flujo vertical, ambas obtenidas mediante la técnica eddy covariance durante el período de Nov/2016 a Abr/2018. Los resultados muestran que la mayoría de los valores de flujo son positivos, indicando que el entorno urbano actúa como una fuente neta de partículas de aerosoles a diferentes escalas temporales. Respecto a las fuentes de emisión de partículas, el tráfico rodado ha sido identificado como la principal fuente de partículas en el entorno urbano de Granada durante todas las estaciones del año. Durante el invierno, los sistemas de calefacción doméstica y la quema de residuos de biomasa suponen una fuente adicional de partículas, mientras que el proceso de formación de nuevas partículas contribuye significativamente a las concentraciones de partículas ultrafinas durante la primavera y el verano. El análisis por sectores de viento muestra que el impacto de las emisiones de los sistemas de calefacción doméstica del área urbana es mucho más fuerte respecto al impacto de las emisiones de quema de residuos agrícolas del sector suburbano (especialmente por la noche). Un nuevo método basado en Rodriguez y Cuevas (2007) y Sandradewi et al. (2008) ha sido desarrollado con el objetivo de conocer las contribuciones de las diferentes fuentes de aerosol a las concentraciones numéricas totales de partículas en áreas influenciadas por emisiones de quema de biomasa. Este nuevo método se ha utilizado para determinar las contribuciones tanto de las emisiones primarias de los vehículos y de la quema de biomasa como del aerosol secundario a las concentraciones del número de partículas segregadas por tamaño en entornos urbanos y suburbanos. En este sentido, este método se ha aplicado a las mediciones simultáneas de la distribución de tamaño de aerosoles en el rango de tamaño de 12 a 600 nm y la concentración de carbono negro (BC) obtenidas en ambos sitios durante el invierno, cuando ambos sitios suelen estar influenciados por las emisiones de la quema de biomasa procedentes de los sistemas de calefacción doméstica y la quema de residuos agrícolas. Los resultados muestran que (1) el aerosol secundario es el principal contribuyente a la concentración del número de partículas en todos los rangos de tamaño en ambos sitios, (2) el tráfico es la principal fuente de partículas primarias con contribuciones >70% en todos los rangos de tamaño en ambos sitios y (3) la quema de biomasa contribuye significativamente a las concentraciones de partículas primarias en los rangos de tamaño 25-100 y 100-600 nm en los sitios suburbanos (24% y 28%, respectivamente) y urbanos (13% y 20%, respectivamente). Además, se ha encontrado que los eventos de formación de nuevas partículas (NPF, por sus siglas en inglés) son una fuente importante de aerosoles durante las horas centrales del día en verano, pero, en promedio, estos eventos no implican una contribución considerable a las partículas urbanas. A pesar de la baja contribución de los eventos de NPF a la concentración total de número de partículas en la zona urbana, estos eventos son de gran importancia para la producción de núcleos de condensación de nubes, afectando a la formación de estas. Por lo tanto, la caracterización de la distribución vertical de los eventos de NPF es de especial interés. Para ello, se ha llevado a cabo una investigación detallada de las características de los eventos de NPF y de los diferentes factores que promueven/inhiben los procesos de NPF en dos ambientes distintos: urbano y remoto en alta montaña. Para ello, se han utilizado mediciones simultáneas de las distribuciones de tamaño de los aerosoles (4-500 nm) medidas en ambos sitios. El análisis muestra que, con una frecuencia de eventos NPF >70% en ambos sitios, las partículas del modo de nucleación contribuyen en gran medida a la concentración numérica total de aerosoles en verano (47% y 48% en la estación de alta montaña y urbana, respectivamente). En la estación de alta montaña, se ha encontrado que los eventos de NPF están asociados al transporte de precursores gaseosos desde altitudes más bajas gracias al transporte ascendente debido a la orografía del terreno. Sin embargo, los eventos de NPF en la estación de alta montaña siempre se han observado a partir de los tamaños más pequeños medidos de la distribución de tamaño de aerosoles (4 nm), lo que implica que los eventos de NPF tienen lugar en la estación de alta montaña (o en sus proximidades), en lugar de ser transportados desde altitudes inferiores. Aunque los eventos de NPF en la estación de montaña parecen estar conectados con los que ocurren en el sitio urbano, las tasas de crecimiento (GR, por sus siglas en inglés) en la estación de montaña son más altas que las de la estación urbana. El análisis del ácido sulfúrico (H2SO4) muestra que las concentraciones de H2SO4 pueden explicar una contribución mínima a las tasas de crecimiento observadas en ambos sitios (< 1 % y < 10 % para los rangos de tamaño de 7-25 y 4-7 nm, respectivamente), indicando que otros vapores de condensación son los responsables de la mayor parte del crecimiento de las partículas, así como de las diferentes tasas de crecimiento entre los dos ambientes. Los resultados también muestran que el sumidero de condensación (CS) no juega un papel relevante en los procesos de NPF en ambos sitios y apunta a la disponibilidad de compuestos orgánicos volátiles como uno de los principales factores que controlan los eventos de NPF en los ambientes urbanos y remotos investigados.