Scienze della Terra

344 Pages·2013·16.91 MB·English

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DOTTORATO DI RICERCA IN

Scienze della Terra

Ciclo XXVI

Settore Concorsuale di afferenza: 02/C1

Settore Scientifico disciplinare: FIS/06

ORIGIN AND VARIABILITY OF PM AND ATMOSPHERIC
10
RADIOTRACERS AT THE WMO-GAW STATION OF MT. CIMONE
(1998-2011) AND IN THE CENTRAL PO VALLEY

Presentata da: Dott.ssa BRATTICH ERIKA

Coordinatore Dottorato Relatore

Prof. Vincenzo Picotti Prof.ssa Tositti Laura

Esame finale anno 2014

Abstract

Particulate matter is one of the main atmospheric pollutants, with a great chemical-environmental
relevance. Aerosol deeply affects climate, local weather, visibility, human health, damages
environment and cultural heritage. In the last two decades particulate matter has increasingly
attracted the interest of the scientific community because, in spite of the ever improving efforts in
the abatement technologies, its concentration is locally still very high often exceeding the
thresholds. Despite many studies, the knowledge of sources, formation mechanisms and chemical
characterization is still limited. Improving knowledge of the sources of particulate matter and of
their apportionment is needed to handle and fulfill the legislation regarding this pollutant, to support
further development of air policy as well as air pollution management.
Various instruments have been used to understand the sources of particulate matter and
atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone (44.18° N, 10.7° E, 2165 m asl), hosting a global
WMO-GAW station. Thanks to its characteristics this location is suitable investigate the regional and
long-range transport of polluted air masses on the background Southern-Europe free-troposphere.
In particular, PM data sampled at the station in the period 1998-2011 were analyzed in the
10
framework of the main meteorological and territorial features: the time series is characterized by a
strong seasonal fluctuation with a winter minimum and a summer maximum, attributed to the
seasonal fluctuation of the mixed layer height as well as to the intense vertical exchange occurring
in the warm season at this latitude. A receptor model based on back trajectories was applied to
study the source regions of particulate matter. Highest PM data at the site can be attributed to
10
three classes of events:
- Saharan dust transports from the northern African deserts;
- Uplift of polluted air masses from the Italian areas north of the Apennines range (i.e., Po
Valley), especially during intrusion events from the boundary layer favoured by deep
convection;
- Advection of PM enriched air masses from the European continent North and East of the
10
Italian peninsula.
Simultaneous measurements of atmospheric radionuclides 210Pb and 7Be acquired together with
particulate mass load have also been analysed to acquire a better understanding of vertical and
horizontal transports able to affect atmospheric composition. Due to their contrasting natural origin,
210Pb and 7Be have often been used as a pair to investigate vertical transport and the scavenging of
the aerosols. At Mt. Cimone 210Pb is characterized by a seasonal fluctuation similar to that of PM ,
10
characterized by a summer maximum due to thermal convection and higher mixing height, while
7Be is characterized by two relative maxima, one during the cold season linked to Stratosphere-to-
Troposphere transport and one in the warm season, mainly associated to tropospheric subsidence
balancing the ascent of air masses from the low troposphere. Seasonal variations of atmospheric
radiotracers have been studied both analysing the long-term time series acquired at the
measurement site as well as by means of a state-of-the-art global 3-D chemistry and transport model
(GMI CTM): in particular, the use of the model enabled a better understanding of the transport and
precipitation scavenging processes on the 210Pb and 7Be seasonalities at Mt. Cimone.
Advection patterns characterizing the circulation at the site have been identified by means of clusters
of back-trajectories. The analysis revealed that the seasonality of transports is a relevant factor affecting
atmospheric composition. In particular, one of the most interesting aspects of this study is the
connection between Saharan Dust incursion events and increases not only in 210Pb (and PM ) but also
10
in 7Be, linked to two independent mechanisms occasionally acting together: the desert dust uplift and a
strong downward movement from the upper troposphere. The analysis showed also that in general the
cold period is mainly affected by long-range transports, while on the contrary short-range transports
dominate the warm season. The relationship between NAO (North Atlantic Oscillation) and advection
patterns has all-year-long important effects in terms of atmospheric composition at Mt. Cimone.
The study of source regions of the ratio 7Be/210Pb and of high potential vorticity values pointed
out once more the usefulness of these tracers in the understanding of vertical transports. Locations
highlighted by this kind of analysis are areas frequently affected by mechanisms promoting
Stratosphere-to-Troposphere transport (areas interested by lee cyclogenesis, preferred regions for
cyclone formation, and areas where the polar jet stream is generally stronger): North America,
Northern Atlantic, the Arctic region and the Alps. Analysing the seasonal and trend components of
the time series, it was highlighted that, even though some advection patterns and 210Pb and PM are
10
associated to a decreasing trend, the largest variability of the time series is in general associated
with seasonal fluctuations and small time-scale changes.
Finally, the results of a source apportionment study of particulate matter carried on in a midsize
town of the Po Valley (actually recognised as one of the most polluted European regions) are
reported. Receptor models have identified six sources, interpreted as mineral dust, road dust, traffic,
secondary aerosol, biomass burning and a pseudo-marine factor linked to the use of salt as de-icing
agent on roads during winter. The source apportionment result was that on the average about 30%
of PM is attributed to the coarse fraction, while the fine fraction contributes to about the 70%.
10
An approach exploiting different techniques, and in particular different kinds of (mostly, but not
only receptor) models, successfully achieved a characterization of the processes/sources of
particulate matter at the two sites, and of atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone.
Riassunto

Il particolato atmosferico è uno degli inquinanti secondari di maggiore rilevanza chimico-
ambientale. L’aerosol esercita importanti effetti sul clima, sul tempo atmosferico, sulla visibilità,
sulla salute umana, danni all’ambiente ed ai beni culturali. Negli ultimi due decenni il particolato
atmosferico ha attratto sempre più l’attenzione della comunità scientifica perché, nonostante le
sempre migliori tecnologie di abbattimento, la sua concentrazione è ancora molto alta a livello
locale, superando spesso i limiti legislativi. Nonostante il gran numero di studi, la conoscenza delle
sorgenti, dei meccanismi di formazione e della caratterizzazione chimica del particolato sono
ancora limitate. Una migliore conoscenza delle sorgenti di particolato e del loro apporzionamento
sono necessarie anche a fini legislativi, a supporto di ulteriori sviluppi delle politiche in materia di
qualità dell’aria e per il contenimento dell’inquinamento atmosferico.
Vari strumenti sono stati utilizzati volti alla comprensione delle sorgenti di particolato atmosferico
e radiotraccianti al sito di Monte Cimone (44.18° N, 10.7° E, 2165 m asl), che ospita una stazione
globale WMO-GAW e che, grazie alle sue caratteristiche, rappresenta un luogo utile
all’investigazione del trasporto regionale ed a lungo raggio di masse d’aria inquinate al di sopra del
fondo fornito dalla troposfera libera sud-europea.
In particolare, i dati di PM raccolti alla stazione nel periodo 1998-2011 sono stati analizzati nel
10
contesto delle principali caratteristiche meteorologiche e territoriali: la serie temporale mostra una
forte fluttuazione stagionale con un minimo invernale ed un massimo estivo, attribuito alla
fluttuazione stagionale dell’altezza dello strato di rimescolamento ed all’intenso scambio verticale
che avviene nella bassa troposfera a questa latititudine. Un modello a recettore basato sull’utilizzo
di back trajectories è stato utilizzato per studiare le regioni sorgente di particolato atmosferico. Gli
aumenti di PM al sito di misura sono attribuibili a tre classi di eventi:
10
- Trasporti di sabbia sahariana dai deserti del Nord-Africa;
- Trasporto verso l’alto di masse d’aria inquinate dalle aree italiane a nord dell’arco appenninico
(Pianura Padana), specie durante eventi di intrusione dal boundary layer favoriti dalla
convezione spinta;
- Avvezione di masse d’aria arricchite dal continente europeo a Nord ed a Est della penisola
italiana, inclusa l’area balcanica.
Sono state anche analizzate le misure simultanee di radionuclidi atmosferici 210Pb e 7Be raccolti
assieme alla massa di materiale particolato per ottenere una migliore comprensione dei trasporti verticali
ed orizzontali in grado di influire sulla composizione atmosferica. Infatti, grazie alla loro origine
naturale contrapposta, la coppia 210Pb e 7Be è stata spesso usata per studiare il trasporto verticale e lo
scavenging degli aerosols. A Monte Cimone il 210Pb è caratterizzato da una fluttuazione stagionale
simile a quella del PM , caratterizzata da un massimo estivo dovuto alla convezione termica ed alla
10
maggiore altezza di rimescolamento, mentre il 7Be è caratterizzato da due massimi relativi, uno durante
la stagione fredda legato al trasporto Stratosfera-Troposfera ed uno nella stagione calda, principalmente
associato alla subsidenza troposferica che bilancia l’ascesa di masse d’aria dalla bassa troposfera. Le
variazioni stagionali dei radiotraccianti atmosferici sono state studiate sia tramite l’analisi della lunga
serie temporale acquisita al sito di misura, sia tramite un modello globale 3-D di chimica e del trasporto
(GMI CTM), che ha consentito in particolare una migliore comprensione dell’influenza dei processi di
trasporto e dello scavenging della precipitazione sulle stagionalità di 210Pb e 7Be a Monte Cimone.
I patterns di avvezione che caratterizzano la circolazione al sito sono stati identificati per mezzo
dell’analisi dei clusters di back trajectories. L’analisi ha rivelato che la stagionalità dei trasporti è un
fattore rilevante per la sua influenza sulla composizione atmosferica. In particolare, uno degli aspetti più
interessanti risultante da questo studio è la connessione degli eventi di trasporto di sabbia sahariana con
aumenti non solo di 210Pb (e PM ) ma anche di 7Be, legata a due meccanismi indipendenti che agiscono
10
talvolta contemporaneamente: la salita di polvere desertica con un forte movimento verso il basso dall’alta
troposfera. La ricerca ha mostrato anche che in generale il periodo freddo è interessato in prevalenza da
trasporti a lungo raggio, mentre al contrario i trasporti a corto raggio dominano la stagione calda. La
relazione tra la NAO (North Atlantic Oscillation) e patterns di avvezione ha importanti effetti in termini di
composizione atmosferica a Monte Cimone, lungo tutto il corso dell’anno.
L’analisi delle regioni sorgente del rapporto 7Be/210Pb e di valori elevati di vorticità potenziale ha
messo ancora una volta in rilievo la loro utilità nella comprensione dei trasporti verticali. Le regioni
evidenziate da questo tipo di analisi sono aree interessate frequentemente da meccanismi promotori del
trasporto stratosfera-troposfera (regioni interessate da ciclogenesi di lee, regioni preferite per la
formazione di cicloni, ed aree dove si localizza generalmente la corrente a getto polare): il Nord
America, l’Atlantico settentrionale, la regione artica e le Alpi. Lo studio delle componenti stagionali e
dei trends delle serie temporali hanno posto in evidenza come, sebbene per alcuni patterns di avvezione
e per 210Pb e PM sia stato rivelato un trend in calo, la maggiore variabilità delle serie temporali è
10
associata alle fluttuazioni stagionali ed alle fluttuazioni a piccola scala temporale.
Da ultimo, vengono riportati i risultati di uno studio di source apportionment di particolato
atmosferico condotto in una città di medie dimensioni della Pianura Padana, attualmente
riconosciuta come una delle regioni più inquinate dell’intera Europe. I modelli a recettore hanno
individuato sei sorgenti, interpretate come polvere minerale, polvere stradale, traffico, aerosol
secondario, combustione di biomassa ed un fattore pseudo-marino legato all’utilizzo di sale come
agente anti-gelo sulle strade durante l’inverno. Il risultato del source apportionment è stato che in
media circa il 30% del PM è attribuibile alla frazione grossolana, mentre la frazione fine
10
contribuisce per il 70% circa.
L’utilizzo di un approccio che ha sfruttato diverse tecniche, ed in particolare diversi modelli
(principalmente, ma non solo, a recettore), ha consentito di caratterizzare completamente sorgenti/processi
di particolato ai due siti, e quelle dei radiotraccianti atmosferici al sito di Monte Cimone.

INDEX

ABSTRACT
RIASSUNTO
CHAPTER 1 – General Introduction
Premise ................................................................................................................................................ 1
1.1 Atmospheric particulate matter .................................................................................................. 4
1.1.1 Physical characteristics ........................................................................................... 4
1.1.2 Sources of atmospheric aerosol ..................................................................................... 9
1.1.3 Effects of aerosol ........................................................................................................... 14
1.1.4 Chemical composition ................................................................................................... 20
1.2 Environmental radiotracers ........................................................................................................ 24
1.3 Receptor modelling .................................................................................................................... 33
1.3.1 Back trajectories ........................................................................................................... 34
1.3.2 Source-receptor models incorporating back trajectories .............................................. 35
1.3.3 Source apportionment ................................................................................................... 38
References ........................................................................................................................................... 45
CHAPTER 2 – Short-Term Climatology of PM at Mt. Cimone
10
2.1 Introduction ................................................................................................................................ 61
2.1.1 Site description .............................................................................................................. 63
2.2 Experimental .............................................................................................................................. 64
2.2.1 Trajectory model description and source apportionment technique .............................. 66
2.3 Results and discussion ............................................................................................................... 68
2.3.1 PM trend ...................................................................................................................... 68
10
2.3.2 The regional framework ................................................................................................. 71
2.3.3 PM vs. OPC densities .................................................................................................. 75
10
i
2.3.4 Source apportionment by Hysplit back-trajectories ....................................................... 79
2.3.5 The dust episode on 12-15 March 2004 ......................................................................... 81
2.4 Conclusions ................................................................................................................................ 86
Acknowledgements ............................................................................................................................. 86
References ........................................................................................................................................... 87
CHAPTER 3 – Temporal Changes of 7Be and 210Pb Activity Concentrations at Mt. Cimone
3.1 Introduction ................................................................................................................................ 95
3.2 Material and methods ................................................................................................................. 98
3.2.1 Measurement site ........................................................................................................... 98
3.2.2 Experimental .................................................................................................................. 99
3.3 Results and discussion ............................................................................................................... 100
3.3.1 Seasonality and interannual variability .......................................................................... 100
3.3.2 Basic statistics ................................................................................................................ 108
3.3.3 Correlations with other atmospheric species ................................................................. 115
3.4 Summary and conclusions ......................................................................................................... 121
Acknowledgements ............................................................................................................................. 122
References ........................................................................................................................................... 123
CHAPTER 4 – Processes Controlling the Seasonal Variations of 210Pb and 7Be at
Mt. Cimone: A Model Analysis
4.1 Introduction ................................................................................................................................ 135
4.2 Data and methods ....................................................................................................................... 140
4.2.1 Radionuclide measurements at Mt. Cimone ..................................................................... 140
4.2.2 GMI model ........................................................................................................................ 141
4.3 Seasonal variations of transport and precipitation at Mt. Cimone: observations vs. model
simulations .......................................................................................................................................... 143
4.4 Seasonal variations of 210Pb and 7Be at Mt. Cimone: observations vs. model simulations ....... 150
ii