Diss.ETHNr. 11811
Primäre und sekundäre
Aerosolpartikel
während
planetaren Grenzschicht
in der
Photosmog-
in der Schweiz
Episoden
ABHANDLUNG
zur
Erlangung des
Titels
DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH
vorgelegt
von
ALESSANDRO MICHELE HERING
Dipl. Phys.
geboren
von
am
8.
ETH
April
1964
Viganello (TI)
Angenommen auf Antrag
Prof. Dr. A.
Waldvogel,
von
Referent
Dr. J. Staehelin, Korreferent
Dr. U.
Baltensperger,
Korreferent
Zürich, 1996
-
V-
Zusammenfassung
In der
der
vorliegenden
während
Arbeit werden die zeitlichen und räumlichen Variationen
und sekundären
primären
sommerlicher
Flugzeugmessungen
Aerosolpartikel
nördlich und südlich der
Photosmog-Episoden
untersucht.
Primäre
durch
Aerosolpartikel
Alpen
Boden-
und
werden
direkt
emittiert, während sekundäre Partikel durch Prozesse in der Atmosphäre
entstehen.
Die
verschiedenen
Konzentrationen
gasförmigen
Aerosolparameter
gleichzeitig
der
Luftschadstoffe
gemessenen
verglichen.
Bildungsprozessen
sekundären
werden
primären
Daraus
kann
und
der
mit
den
sekundären
Einfluss
(Gas-Partikel-Umwandlung)
auf
von
die
Partikelkonzentration abgeschätzt werden.
Die
Flugzeugmessungen
Atmospheric
Research,
interdisziplinären
METeorology)
wurden
Boulder,
0.01-3
im Juli
1993
0.12-3.12
um
(OPC)
Photooxidantien
und
und
(CN)
um
(03, NOy, ...),
jeweils
den
20
Alpensüdseite und
von
wurden
1-2
13
Kohlenwasserstoffe
im
im
Study Over
am
fanden
partikelgebundene
2
bei
statt. Von
auf
der
Im Sommer führte
Bodenmessungen
und
im Rahmen
im
von
Chiasso, 1994) im
Switzerland)
durch. Dabei
der feinen Partikel,
dp grösser
polyzyklische
und schwarzer Kohlenstoff
mehreren
meistens
Mittelland,
Aerosolparameter (Grössenverteilung
(PAK)
von
Nachmittag
intensive
Southern
Dabei
(NO, N02, CO, ...)
durchgeführt.
(Magadino
and
Durchmesserbereich
Flüge
Anzahlkonzentration der Partikel mit Durchmesser
Partikeloberfläche,
durchgeführt.
for
des
im Durchmesserbereich
Vully, Westschweiz, 1993)
Südschweiz
OSOSS (Oxidant
wurden verschiedene
Monaten
Rahmen
Konzentrationen
Die
5 über beiden Gebieten
schweizerischen Mittelland (Mont
Rahmen
erfasst.
Center
(POLLUtion
deren Vorläufersubstanzen
Messflügen
POLLUMET und in der
im
Wochen
späten Vormittag und
am
Gruppe während je
unsere
drei
Aerosolpartikel
sowie die
Parameter
schönem Wetter
USA)
Grössenverteilung
die
(National
POLLUMET
während
gemessen
meteorologische
insgesamt
Colorado,
Forschungsprojektes
wurden die Anzahlkonzentration der
NCAR
vom
als 0.014 um,
aromatische
(BC, black carbon)),
-VI-
Spurengase (NO, N02, 03
H202) und die wichtigsten meteorologischen
und
Parameter gemessen.
Die
Messflüge zeigen
bei
Übereinstimmung
qualitative
Konzentrationsverteilung
Wetter
am
Nachmittag
zwischen
der
eine gute
räumlichen
OPC-Aerosolpartikeln
NOy N02 NO; NOy ist definiert als die Summe aller
oxidierten Stickstoffverbindungen). Die Anzahlkonzentration der
03 bzw. NOz (
reaktiven
strahlungsreichem
CN-Partikel
Tagen mit
=
-
-
eine dem
ergibt
starker
und den Photooxidantien
von
primären
Schadstoff N02 ähnliche
Sonneneinstrahlung
Verteilung.
und hohen Konzentrationen
Emissionen) findet
man am
diesen Partikeln und
Nachmittag
weniger ausgeprägt.
der CN-Partikel ist in belasteten Luftmassen
Aerosolpartikel
der
Korrelationen
bestimmt.
nach
Partikelkonzentrationen mit den
bei hoher
Zusammenhang:
grosse
meist eine gute Korrelation zwischen
03. Die Korrelation der OPC-Partikel mit den primären
Schadstoffen N02 und CO ist
primäre
OPC-
von
Partikeln, 03 und NOy (d. h. starke photochemische Aktivität und
An
Die Anzahlkonzentration
hingegen hauptsächlich
Beobachtungen,
Diese
Grössenklassen
durch
sowie
die
OPC-
getrennten
gasförmigen Schadstoffen, zeigen folgenden
Luftbelastung (d.
h. grossen Konzentrationen
an
kondensierbaren Gasen) und starker
Aerosolpartikel
photochemischer Aktivität wachsen die
Nachmittag durch sekundäre Prozesse (insbesondere
am
heterogene Nukleation) bis
Der
Einfluss
Aerosolpartikel
von
den
3
der
N02)
sind
zu
die
Prozesse
auf die
gasförmigen Luftschadstoffe
Bodenstationen
wird der
partikelförmigen
partikelgebundene
Ebene
Durchmessern im Bereich 0.12-1.5
meteorologischen
und der
Hangaufwindphasen
und
zu
PAK und
Transport der
(hauptsächlich
Korrelationen
primär emittierten Stoffen
dieser
Konzentrationen
der
Messungen
morgendlichen
gasförmigen (hauptsächlich
Partikel
mit
dp
<
0.3
aus
um,
der
Hügeln beobachtet. Während dieser Zeit
Partikel
Nachmittag
mit
ist der
den primären gasförmigen
Zusammenhang zwischen den
und den verschiedenen
Aerosolparametern weniger
ausgeprägt, weil photochemische Prozesse den Anteil
erhöhen. Weiter
den
BC) Verkehrsemissionen belasteten Luft
den Messstationen auf den
Luftschadstoffen gut. Am
mit
Konzentration
wird mit den
Während
untersucht.
um.
an
sekundären Partikeln
zeigt sich, dass die Partikeloberfläche mit ansteigenden 03durch
sekundäre
Prozesse
(mehrheitlich
heterogene
-
Vll-
Nukleation) zunimmt. An einzelnen Tagen liegen auch Indizien für Gas-
Partikel-Umwandlung
durch
Im Sommer beobachtet
oft
länger
zwischen
homogene
Nukleation
bei windschwachen
man
vor.
Lagen auf der Alpensüdseite
andauernde Perioden mit starkem Dunst. Aus den Korrelationen
den
am
Boden
Sichtweitenbeobachtungen
geht hervor,
dass
die
gemessenen
der
Aerosolparametern
Schweizerischen
Reduktion der Sichtweite
(mehrheitlich anthropogenen
Akkumulationsbereich (0.1
<
und sekundär
dp
<
1
und
Meteorologischen
hauptsächlich
durch die
gebildeten) Aerosolpartikel
um) verursacht wird.
den
Anstalt
im
-IX-
Abstract
In this
work, the temporal and spatial variations of primary and secondary
aerosol
particles during photosmog episodes
investigated.
aerosol
particles
particles
are
directly
are
compared
poUutants.
This allows
atmosphere
atmosphere. Different
primary
the concentrations of
an
north and south of the
measurements are
emitted into the
formed in the
with
processes
ground based
Airborne and
and
The aircraft measurements
were
on
the
particle
performed by
are
analysed. Primary
whereas
secondary
aerosol parameters
secondary
estimation of the influence of
(gas-to-particle conversion)
Alps
are
gaseous
air
secondary formation
concentration.
NCAR
(National Center for
Atmospheric Research, Boulder, Colorado, USA) during
as
of the
pari
METeorology).
for the total
The research aircraft
particle
size distribution of
meteorological
CO,...).
with
high
of the
intensive
the
well
5
as
ground based
measuring
(Mont Vully
large
place
Twenty flights
over
both
different
aerosol
concentration of
(OPC),
were
regions.
as
sensors
morning
performed: 13
well
as
our
many
measured the
(NO, N02,
and afternoon
Furthermore
sensors
(CN) and the
and their precursors
in the
POLLUMET
was
on
days
north and 2 south
group
performed
Southern
parameters
particles
located in the Swiss Plateau
Switzerland) and in 1994 in the southern
part of Switzerland (Magadino and Chiasso)
Over
um
um
measurements for 1-2 months in the summer. In 1993
during
Station
took
in the western part of
(Oxidant Study
with two aerosol
number of chemical
photooxidants (03, NOy,...)
flights generally
as
equipped
from 0.12 to 3.12
particles
solar radiation.
Alps
was
concentration in the size ränge 0.01 to 3
instruments. A
concentrations of
The
3 weeks in July 1993,
POLLUMET
(POLLUtion and
study
photooxidant
Swiss
Switzerland).
(size
as
part of the OSOSS study
The
distribution
with diameter
dp larger
of
measurements
fine
include
particles,
than 0.014 um,
total
particle
surface, particle bound polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and aerosol
black carbon
(BC)),
trace
gases
(NO, N02, 03, and H202) and the
important meteorological parameters.
most
-X-
On sunny afternoons, the aircraft measurements show
good qualitative
a
agreement between the spatial distribution of OPC particle concentration and
the
of all
are
and
photooxidants 03
higher
NOz (= NOy
with
high
particles (i.
correlation between these
particles
in
with the
particles
poUutants and
show
diameter
that
the
concentrations
particle
under
aerosol
of
the
morning,
poUutants
upslope
when
and
primary
emitted
studied
are
poUutants.
substances
photochemical
Furthermore it
surface
large
e.
the
(mainly heterogeneous
and
can
based measurements. In
winds dominate, the transport of air
piain
the
to
be
seen
to
dp
particles
poUuted by
0.3 um, PAH
<
can
be observed.
correlates well with the
relationship
primary
between
parameters is less pronounced because
enhance
due
with
the hill stations
In the afternoon the
aerosol
processes
increase
the concentration of aerosol
by ground
this time the concentration of these
gaseous
on
particular (mainly particles
BC) traffic emissions from
During
processes
meteorological processes
and gaseous
gaseous (mainly N02)
and
mean
photochemical activity
and strong
secondary
pollution (i.
air
to the diameter ränge 0.12-1.5 um.
The influence of the
particles
by
grow
means
function of the
as a
high
of
conditions
gases)
particles
hand,
concentration is determined
These observations and the correlations between
concentrations of condensable
nucleation)
the
The correlation of OPC
good.
particle
on
03, NOy and OPC
high emissions),
and
sum
concentrations
and CO is poor. On the other
airmasses the total CN
strongly poUuted
is
03
primary poUutants N02
mainly by primary particles.
gaseous
and
the
as
In the afternoon
concentrations of
large
photochemical activity
strong
particle
The CN
primary pollutant N02.
solar radiation and
e.
NO; NOy is defined
-
nitrogen Compounds).
oxidized
similar to the distribution of the
days
N02
-
the
fraction
rising 03
that with
secondary
of
secondary
particles.
concentrations the
processes
(mainly
particle
heterogeneous
nucleation). On individual days indications for gas-to-particle conversion
through homogeneous
In summer,
the
Alps.
during
nucleation
are
calm conditions,
obtained.
longer haze periods
The correlations between the
Meteorological
visibility
are
observed south of
observations of the Swiss
Institute and the aerosol parameters measured at the
stations show that
visibility
reduction is caused
(0.1
dp
and
of
secondary origin.
anthropogenic
in the accumulation ränge
<
<
1
essentially by
aerosol
um). These particles
ground
particles
are
mainly
-XI-
Riassunto
In questo lavoro
delle
concentrazioni di
fotochimico, al nord
da
State esaminate le variazioni nel
sono
e
nello
e
cioe da
II
particolato
una
sorgente)
atmosferico
e
con
le concentrazioni
di
scopo
processi
dei
di
smog
composto
e
(formatesi
secondarie
degli inquinanti gassosi primari
l'apporto
stimare
spazio
di
nell'atmosfera). I parametri che descrivono il particolato
confrontati
allo
Alpi.
al sud delle
particelle primarie (emesse
cioe
tempo
particolato atmosferico, durante periodi
stati
sono
secondari,
e
formazione
secondari
(trasformazioni gas-particella) alle concentrazioni di particolato.
I dati necessari
sono
del
Nell'ambito
METeorology),
stati raccolti
con
misurazioni effettuate in volo
un
(National Center for Atmospheric Research, Boulder,
aereoplano equipaggiato
delle concentrazioni di
(CN) ed
uno
particelle:
tre
due
settimane nel
apparecchi
per diametri
uno
per l'intervallo da 0.12
con
3.12
a
anche le concentrazioni di vari fotoossidanti
um
(tredici sull'Altipiano svizzero,
mattinata
e
al
sono
due al sud delle
avvenuti per lo
pomeriggio.
piü
con
fra 0.01
(OPC). Sono
(03, NOy,...)
Alpi
e
e
luglio 1993,
per il rilevamento
compresi
(NO, N02, CO,...) nonche alcuni parametri meteorologici.
queste regioni)
State
dei loro
cinque
Vully (Altopiano svizzero)
nel 1994 nella Svizzera meridionale
progetto OSOSS (Oxidant
parametri
nei vari intervalli di
diametro
policiclici
(BC)),
dp maggiore
aromatici
Study
del
a
Magadino
superficie
e a
del
(PAH) adsorbiti suUe particelle
le concentrazioni di gas in traccia
parametri meteorologici.
misurate
entrambe
eseguito
durante
1993 nella
per POLLUMET
e
Chiasso, nell'ambito del
delle
concentrazione totale del
di 0.014 um,
um
precursori
su
Over Southern Switzerland).
particolato (concentrazione
grandezza,
3
tempo soleggiato, in tarda
D'estate il nostro gruppo ha inoltre
Svizzera occidentale sul Mont
e
I venu voli effettuati
1-2 mesi alcune vaste campagne di misurazione al suolo: nel
rilevati diversi
al suolo.
progetto interdisciplinare POLLUMET (POLLUtion and
l'NCAR
Colorado, USA) ha eseguito misurazioni per
utilizzando
e
Sono
particelle
particolato
stati
fini
con
particolato,
idrocarburi
particelle
di carbonio
e
(NO, N02, 03
e
H202)
ed i
principali
-Xll-
Le misurazioni
forte
aeree
eseguite
irraggiamento solare,
distribuzioni
spaziali
fotoossidanti
03
somma
-
una
e
concentrazioni
concentrazioni
del
e
mostrano
e
pomeridiane
particolato
osservazioni
che
in
pomeriggio,
neU'aria
condensare)
di
(cioe
secondari
ascendenti, le
masse
(soprattutto
(im, PAH
e
AI
e
mostrano
pomeriggio
parametri
del
secondarie
osservare
d'aria
N02)
superficie
del
con
una
gli inquinanti
nei vari intervalli di
un'alta
grandezza,
di
concentrazione
di
per nucleazione
gas
che
possono
crescono
per
fino
a
particolato
e
eterogenea)
um.
dalla
del
pianura,
le termiche di
pendio
cariche delle emissioni
particolato (principalmente particelle
e
con
In questa fase le concentrazioni di queste
buona correlazione
a
sono
tra
con
gli inquinanti gassosi primari.
le sostanze
piü deboli, perche
dei
causa
processi
la
primarie
proporzione
fotochimici.
e
i diversi
di
particelle
Possiamo
inoltre
l'incremento delle concentrazioni di 03 aumenta pure la
particolato
eterogenea).
trasformazioni
le
da
BC) del traffico motorizzato, raggiungono le stazioni di
particolato
che
inquinate
principalmente
le correlazioni tra
di
03
e
gli inquinanti
e
d'aria
masse
quando predominano
provenienti
invece le correlazioni
aumenta
nucleazione
OPC
le
stato studiato utilizzando i dati forniti da tre stazioni
misurazione situate in collina.
particelle
queste particelle
fotochimica, le particelle
(soprattutto
di misura al suolo. AI mattino,
dp < 0.3
di
processi meteorologici sulla concentrazione
degli inquinanti gassosi
la
come
importanti emissioni)
concentrazioni
diametri dell'ordine di 0.12-1.5
L'influsso dei
quelle
e
definito
e
determinate
presenza
elevate
di un'intensa attivitä
e
processi
raggiungere
gassose
e
di
particelle
Nelle
sono
particelle
inquinanti
effetto di
CN
le concentrazioni di
al
NOy
le
dei
all'inquinante primario N02. In
particelle OPC, 03 e NOy (che sono
marcate.
meno
sono
particelle primarie. Queste
gassosi
OPC
un
tra
distribuzione simile
una
CO
analogia
reattivi). Le concentrazioni di
e
risultano in genere buone. Le correlazioni tra le
primari N02
caratterizzati da
marcata
particelle
intensa attivitä fotochimica
correlazioni tra le
giorni
una
NO; dove
d'azoto ossidati
presenza di elevate concentrazioni di
indicatori di
dei
delle concentrazioni di
composti
CN hanno
particelle
pomeriggio
NOz (=NOy-N02
e
di tutti i
nel
hanno evidenziato
per
In
gas-particella
effetto
di
singoli giorni
processi
vi
sono
secondari
stati
(soprattutto
anche
avvenute per nucleazione omogenea.
indizi di
-
AI sud delle
Alpi, d'estate,
in
Xlll
periodi
-
con
poco vento, si
un'intensa foschia. Dalle correlazioni tra i diversi
misurati al suolo
puö
e
la visibilitä rilevata daU'Istituto Svizzero di
concludere che la riduzione della visibilitä
particelle fini,
con
parametri
diametro compreso fra 0.1
in gran parte formate nel
origine antropogena.
corso
di
e
1
processi secondari,
del
spesso
particolato
Meteorologia
si
causata soprattutto da
e
um.
osserva
Queste particelle
a
partire
da
si
sono
precursori
di