Struttura termodinamica per un'efficace mitigazione dell'elevato carico di aerosol nell'Indo

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13667 (2023) Citare questo articolo

387 accessi

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La pianura indo-gangetica (IGP) è soggetta a un grave inquinamento atmosferico ogni inverno, con cloruro di ammonio e nitrato di ammonio come le principali frazioni inorganiche di aerosol fini. Molti tentativi passati di affrontare l’inquinamento atmosferico nell’IGP si sono rivelati inadeguati, poiché miravano a un sottoinsieme degli inquinanti primari in un ambiente in cui la maggior parte del carico di particolato è di natura secondaria. Qui forniamo nuove informazioni meccanicistiche sulla mitigazione degli aerosol integrando il modello termodinamico ISORROPIA-II con misurazioni simultanee ad alta risoluzione di gas precursori e aerosol. Viene esplorato un quadro matematico per studiare la complessa interazione tra acido cloridrico (HCl), ossidi di azoto (NOx), ammoniaca (NH3) e contenuto di acqua liquida aerosol (ALWC). L’acidità dell’aerosol (pH) e l’ALWC emergono come fattori determinanti che modulano la partizione della fase gas-particella e il carico di massa degli aerosol fini. Sono stati definiti sei "regimi di sensibilità", in cui PM1 e PM2,5 rientrano nel "regime sensibile di HCl e HNO3", sottolineando che le riduzioni di HCl e HNO3 sarebbero il percorso più efficace per la mitigazione dell'aerosol nell'IGP, che è ricco di ammoniaca durante inverno. Questo studio fornisce la prova che l’abbattimento dei precursori per la mitigazione degli aerosol non dovrebbe essere basato sulle loro concentrazioni di massa decrescenti ma piuttosto sulla loro sensibilità all’elevato carico di aerosol.

L’elevato carico di aerosol è una causa significativa di milioni di morti premature in tutto il mondo e la mitigazione dell’inquinamento atmosferico è una delle principali preoccupazioni per i ricercatori di tutto il mondo1,2. Tuttavia, per regolare o mitigare l’elevato carico di aerosol, è necessario misurarlo, monitorarlo e studiarlo a fondo. Nonostante i grandi sforzi, la comprensione delle proprietà fisiche, chimiche e termodinamiche dei costituenti atmosferici non ha ancora raggiunto un punto in cui la mitigazione degli aerosol possa essere effettuata in modo preciso e ottimale3,4,5,6. Vi è una crescente necessità di comprendere meglio le proprietà degli aerosol poiché influiscono gravemente sull’ecosistema, sulla salute umana e sull’ambiente.

La pianura indo-gangetica (IGP) è una delle regioni più inquinate al mondo7,8,9,10. Il carico di massa di PM1 e PM2,5 spesso supera i 400–600 µg m−3 per il breve termine (poche ore), in particolare durante le ore di punta del traffico e di notte durante l'inverno11,12. Gli studi hanno dimostrato che la frazione organica è generalmente responsabile di oltre il 50% della massa PM1 a livello globale e la frazione inorganica dell'aerosol fine è composta da solfato, nitrato e ammonio (SNA)13,14,15,16. Ma al contrario, pochi studi hanno anche dimostrato che più della metà del carico totale di aerosol è di natura inorganica durante gli episodi di picco di inquinamento (Tabella S1), sottolineando la necessità di indagare il ruolo delle proprietà fisico-chimiche e termodinamiche dei costituenti atmosferici in condizioni atmosferiche contrastanti. . Ad esempio, Gani et al.17 hanno dimostrato che durante i periodi di picco dell’inquinamento del gennaio 2018, le frazioni inorganiche hanno contribuito per quasi il 60% al carico totale di massa di PM1 a Delhi. Questi aerosol inorganici sono composti principalmente da cloruro, solfato, nitrato e ammonio (CSNA)18,19.

Le concentrazioni orarie osservate di cloruro superano molte volte i 100 µg m−3, considerate tra le più alte riportate in qualsiasi parte del mondo20. Anche il valore dell'ammoniaca in fase gassosa (NH3) risulta molto elevato, il che influisce notevolmente sulla formazione di aerosol secondario in inverno. Numerosi studi recenti hanno studiato la sensibilità degli aerosol alla riduzione dei gas precursori in Cina, Stati Uniti ed Europa4, ma non sono stati ancora condotti studi condotti in India. Sono necessari grandi sforzi per migliorare la nostra comprensione scientifica dell’effettiva regolamentazione del carico di aerosol nell’IGP.

In questo studio, miriamo a fornire nuove intuizioni meccanicistiche sulla formazione e mitigazione dell'aerosol integrando il modello di equilibrio termodinamico ISORROPIA-II con il set di dati dei gas precursori (HCl, HNO3 e NH3) e dei costituenti inorganici (Cl−, NO3−, SO42 −, Na+, NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+) di PM1 e PM2.5 acquisiti utilizzando la prima implementazione dello strumento MARGA-2S nell'IGP (testo supplementare S1). Esploriamo un quadro matematico per studiare la sensibilità della partizione gas-particella degli aerosol a diversi parametri come le concentrazioni di precursori gassosi (HCl, HNO3 e NH3), pH e ALWC, utilizzando curve sigmoidali e "regimi di sensibilità" degli aerosol. A nostra conoscenza, questo è il primo tentativo di studiare il controllo termodinamico degli aerosol sulla regione indiana e la “roadmap termodinamica” avanzata in questo studio potrebbe fornire strategie di mitigazione efficaci e mirate nell’IGP.