Nucleazione di particelle ultrafini in Pianura Padana. Stefano Decesari Istituto ISAC CNR, Bologna

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1 Nucleazione di particelle ultrafini in Pianura Padana Stefano Decesari Istituto ISAC CNR, Bologna

2 Distribuzioni dimensionali degli aerosol atmosferici ultrafine accumulation mode coarse NUMERO SUPERFICIE VOLUME Seinfeld and Pandis 1998

3 DMA (Classificatore elettrostatico) DMPS (o SMPS) = DMA + CPC Aerosol polidisperso Aerosol monodisperso Contatore di particelle a condensazione (di vapori di butanolo).

4 Tandem - DMPS

5 Van Dingenen et al. 2004

6 Progetto EUCAARI

7 Nucleazione nella foresta boreale

8 Nucleazione nella foresta boreale

9 Nucleazione a partire da cluster moleculari di dimensioni nanometriche 1000 cm-3 Kulmala et al., Science 2007

10 Nucleazione a partire da cluster moleculari di dimensioni nanometriche

11 Nucleazione e crescita delle particelle Vapori condensabili: Acido solforico (in forma idrata, anche con ammoniaca) Composti organici Ossidi di iodio

12 Acido solforico e nucleazione J = K* [H 2 SO 4 ] n con 1< n <2 Sipilä et al., Science 2010

13 Acido solforico e nucleazione CIMS (Chemical Ionization Mass Spectrometry) per la misura di concentrazioni di acido solforico pari a 10 6 molecole cm -3 (= 0.4 ppt)

14 Tandem DMPS (campagna EUCAARI a S. Pietro Capofiume, giugno luglio 2009) Dp (µm) E E E E E E E E+00 H2SO4 (molecole cm-3) 26-Jun 27-Jun 28-Jun 29-Jun 30-Jun 1-Jul 2-Jul 3-Jul 4-Jul 5-Jul 6-Jul 7-Jul 8-Jul 9-Jul 10-Jul 11-Jul 12-Jul 13-Jul 14-Jul SO2 (ppb) ACIDO SOLFORICO (misure CIMS) 26-Jun 27-Jun 28-Jun 29-Jun 30-Jun 1-Jul 2-Jul 3-Jul 4-Jul 5-Jul 6-Jul 7-Jul 8-Jul 9-Jul 10-Jul 11-Jul 12-Jul 13-Jul 14-Jul

15 Composizione chimica delle particelle ultrafini formate dalla nucleazione Esistono pochissime osservazioni dirette; Si ritiene che la crescita sia governata dalla condensazione di vapori organici (prodotti di ossidazione dei monoterpeni, composti carbonilici, IPA??) OGF as a function of particle size (nm) E E E E E Ntot E Apr 03-Apr 04-Apr 05-Apr 06-Apr 07-Apr 08-Apr 09-Apr

16 Osservazione di eventi di nucleazione di nuove particelle al suolo e in quota? (Kulmala et al., 2004) Campagne EUCAARI Osservatorio climatico italiano in Nepal (altitudine 5079 m)

17 Perché i fenomeni di nucleazione sono ubiquitari? Le sorgenti di acido solforico e di composti organici sono sia antropiche che naturali, marine e continentali; Le emissioni antropiche portano simultaneamente a feedback sia positivi che negativi sulla nucleazione, per cui né gli ambienti inquinati né quelli remoti sono favoriti. condensation sink Kulmala et al. 2004

18 EUSAAR European Supersites for Atmospheric Aerosol Research, ora incluso in ACTRIS Hyytiälä Melpitz Hohenpeisenberg San Pietro Capofiume (dal 2002) [Laaksonen et al., 2005]

19 EUSAAR European Supersites for Atmospheric Aerosol Research, ora incluso in ACTRIS

20 Frequenza di nucleazione nella foresta boreale, nella Germania orientale e in Val Padana Jaatinen et al., 2009

21 San Pietro Capofiume Hamed et al., Atmos. Chem. Phys., 7, ,

22 Tasso di formazione di nuove particelle e tassi di crescita nella foresta boreale, nella Germania orientale e in Val Padana Jaatinen et al., 2009

23 SPC Balanced Scanning Mobility Analyzer (BSMA) a San Pietro Capofiume SPC number of days Classification of events for each month - Negative Banana Apple Bump undefined no event no/bad data 5 0 Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Normalmente la nucleazione indotta dagli ioni spiega < 10% del tasso di formazione di particelle, eccetto che nelle aree montane dove è più significativa number of days Classification of events for each month - Positive Mar Apr May Jun Jul Aug Sep month in 2008

24 proxy per la concentrazione di acido solforico = condensation sink ( superficie totale aerosol di fondo)

25 Dipendenza stagionale dei parametri empirici di nucleazione eventi non-eventi San Pietro Capofiume Campioni invernali

26 Temperatura Radiazione Umidità relativa Vento

27 SO 2 SO 2 (µg/m 3 ) SO 2 (µg/m 3 ) Winter Months (Dec Feb) Hour Summer Months (Jun Aug) 5 4 Events Non Evenst Events Non Events Hour SO 2 (µg/m 3 ) SO 2 (µg/m 3 ) Spring Months (Mar May) Hour Events Non Events Autumn Months (Sep Nov) Events Non Events Hour Condensation sink Condensation Sink (1/s) Condensation Sink (1/s) Winter Months (Dec Feb) 0.01 Events Non Events Hour Summer Months (Jun Aug) Events Non Evenst Hour Condensation Sink (1/s) Condensation Sink (1/s) Spring Months (Mar May) Hour Events Non Events Autumn Months (Sep Nov) Events Non Events Hour

28 NW N 30% 25% 20% 15% NE Non Events Events 10% 5% W 0% E SW SE Distribuzione di frequenza delle concentrazioni di PM10 in Emilia- Romagna (blu: pianura occidentale, rosso: pianura centro-orientale, verde: costa) Fonti: Quaderno Tecnico ARPA- SMRn 10/2002 S Apennines SO 2 emissions (Mg/y) Fonte: APAT

29 Classificazione degli eventi di nucleazione e relazione con la loro estensione spaziale

30 Classificazione degli eventi di nucleazione e relazione con la loro estensione spaziale 7 Aprile Campagna EUCAARI a S. Pietro Capofiume S W S W S SO2 (ppb) Rad (W/m2) :00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00-100

31 Possibili effetti della dinamica dello strato limite sull innesco della nucleazione 80-90% RH 30% W E S 4 Aprile Campagna EUCAARI a S. Pietro Capofiume

32 5000 Ntot3-10 Date:04/04/2008 CS Ntot3-10 Date:05/04/2008 CS Particle concentration (cm -3 ) CS(m olec./sec-1) Particle concentration (cm -3 ) CS(m olec./sec-1) :00 06:00 12:00 18:00 00:00 Time 0 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 Time

33 Possibili effetti della dinamica dello strato limite sull innesco della nucleazione 1. Controllo del condensation sink 2. Il trasporto verticale, la turbolenza e il raffreddamento creano condizioni di supersaturazione per i vapori condensabili. 3. Rimescolamento di strati d aria con composizione chimica diversa (gli ingredienti della nucleazione: Strato residuo O 3, SO 2 Strato superficiale notturno NH 3, ammine, VOCs

34 Strati residui e condensation sink LD-40 Lidar-ceilometer

35 Strati residui e condensation sink Mar-Apr Mar 31-Mar 1-Apr 2-Apr 3-Apr 4-Apr 5-Apr 6-Apr 7-Apr 8-Apr 9-Apr 10-Apr 11-Apr 12-Apr 13-Apr 14-Apr 15-Apr 16-Apr 17-Apr 18-Apr 19-Apr 20-Apr 21-Apr µm2/cm3 Jun-Jul giu 26-giu 27-giu 28-giu 29-giu 30-giu 1-lug 2-lug 3-lug 4-lug 5-lug 6-lug 7-lug 8-lug 9-lug 10-lug 11-lug 12-lug 13-lug 14-lug 15-lug 16-lug 17-lug 18-lug µm2 cm-3

36 Campagne EUCAARI e BASE-ALFA Estate 2009 Misure PBL (ARPA-ER servizio idro-meteo-clima; ISAC- CNR Roma); Black carbon (ISAC-CNR Bologna); Tandem DMPS (ISAC-CNR Bologna e Uni. Kuopio); SO 2 e acido solforico (DWD Hohenpeissenberg)

37 SO2 H2SO ppb nucleazione nucleazione nucleazione CS N 3-50 nm 3E sec E 1E E

38 ISAC-Roma (G. P. Gobbi, F. Angelini) nucleazione nucleazione nucleazione CS N 3-50 nm 3E sec E 1E E

39 Campagna BASE ALFA E E E E E E gen 22-gen 27-gen 1-feb 6-feb 11-feb 16-feb 21-feb 26-feb 3-mar 8-mar 13-mar 18-mar 23-mar 28-mar 2-apr 7-apr 12-apr 17-apr 0.0E E E E E E E E E-02 Ntot3-10 #/cm3 CondSink 1/s gen 22-gen 27-gen 1-feb 6-feb 11-feb 16-feb 21-feb 26-feb 3-mar 8-mar 13-mar 18-mar 23-mar 28-mar 2-apr 7-apr 12-apr 17-apr W/m2 HE H0c

40 Problematiche scientifiche 1. Estensione spaziale (e verticale) della nucleazione in Val Padana; 2. Discriminazione sorgenti di particelle ultrafini da nucleazione e da combustione; 3. Composizione chimica delle particelle formate dalla nucleazione; 4. Effetti delle particelle ultrafini da nucleazione sulla salute; 5. Effetti dei cambiamenti della composizione dell atmosfera (ad es. riduzione SO 2 ) sulla frequenza della nucleazione.

41 Il futuro: Progetti SUPERSITO e PEGASOS TDMPS TDMPS DMPS Giugno Luglio

42 Ringraziamenti Markku Kulmala (Uni. Helsinki) Ari Laaksonen (Uni. Kuopio, Uni. Helsinki) Amar Hamed (Uni. Kuopio