Dynamics of ultrafine particles and tropospheric ozone episodes

Abstract

Atmospheric aerosol particles, particularly ultrafine particles (UFPs; particles with less than 100 nm in diameter), and tropospheric ozone (O3) are atmospheric pollutants highly influenced by photochemical reactions, i.e., processes initiated by the absorption of solar radiation. High concentrations of ambient UFPs and O3 have important adverse effects on human health and impact on climate. Areas with high insolation and atmospheric dynamics favoring the accumulation of pollutants by vertical recirculation of air masses, such as the Western Mediterranean and other regions of Southern Europe, often register episodes with high concentrations of UFPs and O3, especially in spring and summer. UFPs episodes might be caused by the emission and accumulation of particles or by the photochemical formation of particles from gaseous precursors (new particle formation; NPF). The objective of this thesis is to characterize the relationship between UFPs and O3 in areas and periods with important photochemical activity. More specifically, this thesis aims at (i) identifying the atmospheric patterns causing the episodes, (ii) establishing whether these pollutants are driven by the same processes or occurring in parallel and (iii) describing how UFP concentrations have evolved over the last years. Based on these objectives, we analyzed data gathered during intensive field campaigns of simultaneous surface-level and vertical measurements, as well as long-term series of continuous measurements. Combining these, we focus on evaluating the seasonality and simultaneity of UFPs and O3 episodes, identifying the key contributing atmospheric factors and providing insights on the influence of NPF on the concentration of UFPs. We found that two distinct scenarios govern the formation and transport of UFPs and O3: recirculation of air masses and venting. The occurrence of either scenario is determined by large-scale meteorology, whereas the magnitude of concentrations is modulated by the availability of precursors and local atmospheric and orographic conditions. Our results indicate that acute UFPs episodes are undoubtedly linked with O3 episodes. Yet, the episodes may or may not be simultaneous on the same day. The occurrence of an O3 episode seems to be always concurrent with an UFPs episode caused by accumulation of primary and secondary particles during recirculation periods. However, high UFPs concentrations caused by NPF are mainly occurring with lower (but relatively high in absolute values) O3 concentrations during venting periods. When considering the average annual UFPs concentrations in urban locations, primary traffic emissions have a greater contribution to the total number of particles than NPF. Yet, on days with NPF events, the contribution from NPF to UFPs might be higher than that from primary emissions. Although NPF events do not occur in most of the days, the number of days with NPF events is increasing, probably due to a decreasing trend in the anthropogenic atmospheric emissions in recent years, which caused a decline in the particle sinks. Thus, the contribution of NPF to the number concentration of UFPs is also increasing. The total concentration of UFPs may either increase or decrease, depending on the local conditions and precursor emissions. In urban environments, the decline in anthropogenic emissions causes a direct decrease in the concentration of UFPs. In rural environments, NPF becomes more favorable and the concentration of UFPs increases. This might be related to increasing local biogenic emission of precursors, as well as a reduction of sinks due to a decline in transported anthropogenic emissions. Abatement policies implemented in recent years aiming at decreasing anthropogenic emissions of atmospheric pollutants have had a major impact in the concentration of UFPs at urban environments. However, these policies have not had a significant impact in the regional background, where UFPs have increased.

Els aerosols atmosfèrics, particularment partícules ultrafines (UFPs; partícules de menys de 100 nm de diàmetre), i l'ozó troposfèric (O3) són contaminants atmosfèrics molt influenciats per reaccions fotoquímiques, processos iniciats per l'absorció de radiació solar. Concentracions elevades d'UFPs i O3 en l'ambient tenen importants afectes adversos en la salut humana i impactes en el clima. En àrees amb una alta insolació i dinàmiques atmosfèriques que afavoreixen l'acumulació de contaminants degut a recirculacions verticals de masses d¿aire, com el Mediterrani occidental i altres regions del sud d'Europa, sovint s'enregistren episodis d'altes concentracions d'UFPs i O3, especialment a la primavera i a l¿estiu. Els episodis d¿UFPs poden estar causats per l'emissió i acumulació de partícules o per la formació fotoquímica de partícules a partir de precursors gasosos (formació de partícules noves; NPF). L'objectiu d¿aquesta tesi és caracteritzar la relació entre UFPs i O3 en àrees amb una alta activitat fotoquímica. Concretament, aquesta tesi té com objectius identificar els patrons atmosfèrics que causen els episodis, determinant si aquests contaminants estan regits pels mateixos processos o bé ocorren en paral·lel, i descriure l'evolució de les concentracions d'UFP en els darrers anys. S'han analitzat dades recopilades durant campanyes intensives de mesures simultànies a nivell de superfície i en altura, així com sèries de dades de mesures contínues de llarg termini. Mitjançant la combinació d¿aquestes dades, s'ha avaluat l'estacionalitat i la simultaneïtat dels episodis d'UFPs i d'O3, identificant els factors que hi contribueixen i aportant informació sobre la influencia de la NPF en les concentracions d'UFPs. Hi ha dos escenaris que controlen la formació i el transport d'UFPs i O3: la recirculació vertical de masses d'aire i la ventilació. L'ocurrència d'un o altre escenari ve determinada per les condicions meteorològiques a escala sinòptica, mentre que la magnitud de les concentracions ve donada per la disponibilitat de precursors i les condicions atmosfèriques i orogràfiques locals. Els episodis aguts d¿UFPs estan indubtablement vinculats amb els episodis d¿O3. Tot i així, els episodis poden ser simultanis en un mateix dia o no ser-ho. Un episodi d'O3 és sempre simultani amb un episodi d'UFPs causat per acumulació de partícules primàries i secundàries durant períodes de recirculació. Tanmateix, altes concentracions d'UFPs causades per NPF es donen principalment amb concentracions relativament baixes d'O3 durant períodes de ventilació. Quan es consideren les concentracions mitjanes anuals d'UFPs en àrees urbanes, les emissions primàries del trànsit tenen una major contribució al nombre total de partícules que la NPF. No obstant, en dies amb episodis de NPF, la NPF contribueix més al nombre total d'UFPs que les emissions primàries. Tot i que en la majoria dels dies no es detecten episodis de NPF, el nombre de dies amb NPF està incrementant, probablement degut a una tendència a la baixa de les emissions atmosfèriques antropogèniques en els darrers anys, que han causat una disminució en les embornals de condensació i coagulació de partícules. En conseqüència, la contribució de NPF al nombre d'UFPs també està augmentat. La concentració total d'UFPs pot augmentar o disminuir, depenent de les condicions locals. En àrees urbanes, la disminució d'emissions antropogèniques causa una disminució directa de la concentració d¿UFPs. En canvi, en ambients rurals, la NPF esdevé més favorable fins al punt que la concentració d'UFPs creix. Això pot ser degut a un augment de les emissions biogèniques locals de precursors i a una disminució del transport d'emissions antropogèniques. Les polítiques implementades en els darrers anys amb l'objectiu de reduir les emissions antropogèniques de contaminants atmosfèrics han tingut un gran impacte en la concentració del nombre de partícules en ambients urbans. Per contra, aquestes polítiques no han tingut un impacte significatiu en el fons regional, on el nombre de partícules ha augmentat

Los aerosoles atmosféricos, en particular las partículas ultrafinas (UFPs por sus siglas en inglés; partículas de menos de 100 nanómetros de diámetro), y el ozono troposférico (O3) son contaminantes atmosféricos muy influenciados por reacciones fotoquímicas, i.e., procesos iniciados por la absorción de radiación solar. Concentraciones elevadas de UFPs y O3 en el ambiente tienen importantes efectos adversos en la salud humana e impactos en el clima. En áreas con una alta insolación y dinámicas atmosféricas que favorecen la acumulación de contaminantes debido a recirculaciones verticales de masas de aire, como en el Mediterráneo occidental y otras regiones del sur de Europa, a menudo se registran episodios de altas concentraciones de UFPs y O3, especialmente en primavera y verano. Los episodios de UFPs pueden estar causados por la emisión y acumulación de partículas o por la formación fotoquímica de partículas a partir de precursores gaseosos (formación de nuevas partículas; NPF por sus siglas en inglés). El objetivo de esta tesis es caracterizar la relación entre UFPs y O3 en áreas y períodos con una actividad fotoquímica importante. Concretamente, esta tesis tiene como objetivos identificar los patrones atmosféricos que causan los episodios, determinando si estos contaminantes están regidos por los mismos procesos o bien ocurren en paralelo, así como describir la evolución de las concentraciones de UFPs en los últimos años. Basándonos en estos objetivos, se han analizado datos recopilados durante campañas de medidas intensivas simultáneas a nivel de superficie y en altura, así como series de datos de medidas continuas a largo plazo. Mediante la combinación de estos datos, se ha evaluado la estacionalidad y la simultaneidad de los episodios de UFPs y O3, identificando los factores que contribuyen a ellos y aportando información sobre la influencia de la NPF en las concentraciones de UFPs. Hemos encontrado que hay dos escenarios que controlan la formación y el transporte de UFPs y O3: la recirculación vertical de masas de aire y la ventilación. El acontecimiento de uno u otro escenario viene determinado por las condiciones meteorológicas a escala sinóptica, mientras que la magnitud de las concentraciones viene dada por la disponibilidad de precursores y las condiciones atmosféricas y orográficas locales. Nuestros resultados indican que los episodios agudos de UFPs están indudablemente vinculados con los episodios de O3. Aun así, los episodios pueden ser simultáneos en el mismo día o no serlo. Un episodio de O3 parece ser siempre simultáneo con un episodio de UFPs causado por acumulación de partículas primarias y secundarias durante períodos de recirculación. Sin embargo, altas concentraciones de UFPs causadas por NPF tienen lugar principalmente con concentraciones relativamente bajas (pero altas en valor absoluto) de O3 durante períodos de ventilación. Cuando se considera el promedio de las concentraciones anuales de UFPs en áreas urbanas, las emisiones primarias del tráfico tienen una mayor contribución al número total de partículas que la NPF. No obstante, en días con episodios de NPF, la contribución de NPF al número total de UFPs puede ser mayor que la de las emisiones primarias. Aunque en la mayoría de días no se detectan episodios de NPF, el número de días con NPF está incrementando, probablemente debido a una tendencia a la baja en los últimos años de las emisiones atmosféricas antrópicas, que han causado una disminución en los sumideros de condensación y coagulación. En consecuencia, la contribución de la NPF al número de UFPs también va en aumento. La concentración total de UFPs puede aumentar o disminuir, dependiendo de las condiciones locales y las emisiones de precursores. En áreas urbanas, la disminución de emisiones antrópicas causa una disminución directa de la concentración de UFPs. En cambio, en ambientes rurales, la NPF se hace más favorable, hasta el punto de aumentar las concentraciones de UFPs. Esto puede ser debido a un incremento de las emisiones biogénicas locales de precursores debido al aumento de temperaturas, así como a una reducción de los sumideros de partículas debido a una disminución del transporte de emisiones antrópicas. Las políticas implementadas en los últimos años con el objetivo de reducir las emisiones antrópicas de contaminantes atmosféricos han tenido un gran impacto en las concentraciones del número de UFPs en ambientes urbanos. Por el contrario, estas políticas no han tenido un impacto significativo en el fondo regional, donde la concentración de UFPs ha aumentado.