Термодинамическая основа для эффективного смягчения высокой аэрозольной нагрузки в Индостане

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13667 (2023) Цитировать эту статью

387 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Индо-Гангская равнина (IGP) каждую зиму испытывает сильное загрязнение воздуха, причем основными неорганическими фракциями мелких аэрозолей являются хлорид аммония и нитрат аммония. Многие прошлые попытки решить проблему загрязнения воздуха в рамках IGP были неадекватными, поскольку они были нацелены на подгруппу основных загрязнителей в окружающей среде, где большая часть бремени твердых частиц носит вторичный характер. Здесь мы предлагаем новое механистическое понимание снижения аэрозольных выбросов путем интеграции термодинамической модели ISORROPIA-II с одновременными измерениями газов-прекурсоров и аэрозолей с высоким разрешением. Исследуется математическая основа для исследования сложного взаимодействия между соляной кислотой (HCl), оксидами азота (NOx), аммиаком (NH3) и содержанием воды в аэрозольной жидкости (ALWC). Кислотность аэрозоля (pH) и ALWC являются определяющими факторами, которые модулируют фазовое разделение газ-частицы и массовую нагрузку мелкодисперсных аэрозолей. Были определены шесть «режимов чувствительности», в которых PM1 и PM2,5 относятся к «режиму чувствительности к HCl и HNO3», подчеркивая, что сокращение выбросов HCl и HNO3 будет наиболее эффективным путем снижения аэрозольных выбросов в IGP, который богат аммиаком во время зима. Это исследование свидетельствует о том, что борьба с выбросами прекурсоров в целях смягчения воздействия аэрозолей должна основываться не на снижении их массовой концентрации, а на их чувствительности к высокой аэрозольной нагрузке.

Высокая аэрозольная нагрузка является серьезной причиной миллионов преждевременных смертей во всем мире, а снижение загрязнения воздуха является серьезной проблемой для исследователей во всем мире1,2. Однако, чтобы регулировать или смягчать высокую аэрозольную нагрузку, ее необходимо измерять, контролировать и тщательно исследовать. Несмотря на обширные усилия, понимание физических, химических и термодинамических свойств компонентов атмосферы еще не достигло той точки, когда снижение аэрозольных выбросов может быть осуществлено точно и оптимально3,4,5,6. Растет необходимость лучше понимать свойства аэрозолей, поскольку они серьезно влияют на экосистему, здоровье человека и окружающую среду.

Индо-Гангская равнина (ИГП) является одним из самых загрязненных регионов мира7,8,9,10. Массовая нагрузка PM1 и PM2,5 часто превышает 400–600 мкг/м3 в течение краткосрочного периода (несколько часов), особенно в часы пик и в ночное время зимой11,12. Исследования показали, что на органическую фракцию обычно приходится более 50% массы PM1 во всем мире, а неорганическая фракция мелкодисперсного аэрозоля состоит из сульфата, нитрата и аммония (SNA)13,14,15,16. Но, напротив, немногие исследования также показали, что более половины общей аэрозольной нагрузки имеет неорганическую природу во время эпизодов пикового загрязнения (таблица S1), что указывает на необходимость исследования роли физико-химических и термодинамических свойств компонентов атмосферы в контрастных атмосферных условиях. . Например, Гани и др.17 показали, что в периоды пикового загрязнения в январе 2018 года неорганические фракции составляли почти 60% от общей массовой нагрузки PM1 в Дели. Эти неорганические аэрозоли в основном состоят из хлоридов, сульфатов, нитратов и аммония (CSNA)18,19.

Наблюдаемые ежечасные концентрации хлоридов во много раз превышают 100 мкг м-3 и считаются одними из самых высоких в мире20. Установлено также очень высокое содержание аммиака в газовой фазе (NH3), что существенно влияет на образование вторичного аэрозоля в зимний период. В нескольких недавних исследованиях изучалась чувствительность аэрозолей к уменьшению содержания газов-прекурсоров в Китае, США и Европе4, но исследования, проведенные в Индии, еще не проводились. Необходимы обширные усилия для улучшения нашего научного понимания эффективного регулирования аэрозольной нагрузки в IGP.

В этом исследовании мы стремимся предоставить новое механистическое понимание образования аэрозолей и смягчения последствий путем интеграции модели термодинамического равновесия ISORROPIA-II с набором данных о газах-прекурсорах (HCl, HNO3 и NH3) и неорганических компонентах (Cl-, NO3-, SO42). −, Na+, NH4+, K+, Ca2+ и Mg2+) PM1 и PM2,5, полученных с помощью первого применения прибора MARGA-2S в IGP (дополнительный текст S1). Мы исследуем математическую основу для исследования чувствительности разделения газа на частицы аэрозолей к различным параметрам, таким как концентрации газообразных прекурсоров (HCl, HNO3 и NH3), pH и ALWC, используя сигмоидальные кривые и «режимы чувствительности» аэрозолей. Насколько нам известно, это первая попытка изучить термодинамический контроль аэрозолей в индийском регионе, и «термодинамическая дорожная карта», предложенная в этом исследовании, может обеспечить эффективные и целенаправленные стратегии смягчения последствий в IGP.