Estrutura termodinâmica para mitigação eficaz de alta carga de aerossóis no Indo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13667 (2023) Citar este artigo

387 Acessos

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

A Planície Indo-Gangética (IGP) sofre grave poluição do ar todos os invernos, com cloreto de amônio e nitrato de amônio como as principais frações inorgânicas de aerossóis finos. Muitas tentativas anteriores de combater a poluição atmosférica no IGP foram inadequadas, uma vez que visavam um subconjunto dos poluentes primários num ambiente onde a maior parte da carga de partículas é de natureza secundária. Aqui, fornecemos uma nova visão mecanística sobre a mitigação de aerossóis, integrando o modelo termodinâmico ISORROPIA-II com medições simultâneas de alta resolução de gases precursores e aerossóis. Uma estrutura matemática é explorada para investigar a interação complexa entre ácido clorídrico (HCl), óxidos de nitrogênio (NOx), amônia (NH3) e conteúdo de água líquida em aerossol (ALWC). A acidez do aerossol (pH) e o ALWC surgem como fatores governantes que modulam a partição da fase gás-partícula e a carga de massa de aerossóis finos. Foram definidos seis "regimes de sensibilidade", onde PM1 e PM2,5 se enquadram no "regime sensível a HCl e HNO3", enfatizando que as reduções de HCl e HNO3 seriam o caminho mais eficaz para a mitigação de aerossóis no IGP, que é rico em amônia durante inverno. Este estudo fornece evidências de que a redução dos precursores para mitigação de aerossóis não deve ser baseada nas suas concentrações de massa decrescentes, mas sim na sua sensibilidade à alta carga de aerossóis.

A elevada carga de aerossóis é uma causa significativa de milhões de mortes prematuras em todo o mundo, e a mitigação da poluição atmosférica é uma grande preocupação para investigadores em todo o mundo1,2. No entanto, para regular ou mitigar a elevada carga de aerossóis, esta precisa de ser medida, monitorizada e investigada exaustivamente. Apesar dos extensos esforços, a compreensão das propriedades físicas, químicas e termodinâmicas dos constituintes atmosféricos ainda não atingiu um ponto em que a mitigação de aerossóis possa ser feita de forma precisa e otimizada3,4,5,6. Há uma necessidade crescente de compreender melhor as propriedades dos aerossóis, uma vez que afectam gravemente o ecossistema, a saúde humana e o ambiente.

A Planície Indo-Gangética (IGP) é uma das regiões mais poluídas do mundo7,8,9,10. A carga de massa de PM1 e PM2,5 frequentemente excede 400-600 µg m-3 no curto prazo (algumas horas), particularmente durante os horários de pico do tráfego e à noite durante o inverno11,12. Estudos demonstraram que a fração orgânica é geralmente responsável por mais de 50% da massa de PM1 globalmente, e a fração inorgânica do aerossol fino é composta por sulfato, nitrato e amônio (SNA)13,14,15,16. Mas, em contraste, poucos estudos também demonstraram que mais de metade da carga total de aerossóis é de natureza inorgânica durante episódios de pico de poluição (Tabela S1), apontando a necessidade de investigar o papel das propriedades físico-químicas e termodinâmicas dos constituintes atmosféricos em condições atmosféricas contrastantes. . Por exemplo, Gani et al.17 demonstraram que durante os períodos de pico de poluição em Janeiro de 2018, as fracções inorgânicas contribuíram com quase 60% da carga total de massa de PM1 em Deli. Esses aerossóis inorgânicos são compostos principalmente de cloreto, sulfato, nitrato e amônio (CSNA)18,19.

As concentrações horárias de cloreto observadas muitas vezes excedem 100 µg m-3, consideradas uma das mais altas relatadas em qualquer lugar do mundo20. A amônia em fase gasosa (NH3) também é muito elevada, o que afeta significativamente a formação secundária de aerossóis no inverno. Vários estudos recentes investigaram a sensibilidade dos aerossóis à redução de gases precursores na China, nos EUA e na Europa4, mas estudos realizados na Índia ainda não foram realizados. São necessários grandes esforços para melhorar a nossa compreensão científica da regulação eficaz da carga de aerossóis no IGP.

Neste estudo, pretendemos fornecer novos insights mecanísticos sobre a formação e mitigação de aerossóis, integrando o modelo de equilíbrio termodinâmico ISORROPIA-II com o conjunto de dados de gases precursores (HCl, HNO3 e NH3) e constituintes inorgânicos (Cl−, NO3−, SO42 −, Na+, NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+) de PM1 e PM2.5 adquiridos utilizando a primeira implantação do instrumento MARGA-2S no IGP (Texto complementar S1). Exploramos uma estrutura matemática para investigar a sensibilidade da partição gás-partícula de aerossóis a diferentes parâmetros, como concentrações de precursores gasosos (HCl, HNO3 e NH3), pH e ALWC, usando curvas sigmoidais e "regimes de sensibilidade" de aerossóis. Até onde sabemos, esta é a primeira tentativa de investigar o controle termodinâmico de aerossóis na região indiana, e o "roteiro termodinâmico" avançado neste estudo poderia fornecer estratégias de mitigação eficazes e direcionadas no IGP.