Advanced

Source apportionment of carbonaceous aerosol - Measurement and model evaluation

Genberg, Johan LU (2013)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Luften omkring oss består inte bara av gaser. I den finns det mängder av små partiklar. De partiklar som står i fokus i den här avhandlingen är mindre än 10 μm, vilket endast är en femtedel av ett hårstrås diameter. Dessa partiklar är tillräckligt små för att kunna förflyttas långa sträckor i atmosfären och har dessutom visat sig påverka människors hälsa negativt. Man har i flertalet studier visat att inandning av partiklar leder till ökad risk av både lung- och hjärtsjukdomar. För att minska dessa negativa hälsoeffekter finns det idag gränsvärden för hur mycket partiklar som får släppas ut från exempelvis nya bilar och lastbilar. Det finns även gränsvärden för hur mycket partiklar som får finnas... (More)
Popular Abstract in Swedish

Luften omkring oss består inte bara av gaser. I den finns det mängder av små partiklar. De partiklar som står i fokus i den här avhandlingen är mindre än 10 μm, vilket endast är en femtedel av ett hårstrås diameter. Dessa partiklar är tillräckligt små för att kunna förflyttas långa sträckor i atmosfären och har dessutom visat sig påverka människors hälsa negativt. Man har i flertalet studier visat att inandning av partiklar leder till ökad risk av både lung- och hjärtsjukdomar. För att minska dessa negativa hälsoeffekter finns det idag gränsvärden för hur mycket partiklar som får släppas ut från exempelvis nya bilar och lastbilar. Det finns även gränsvärden för hur mycket partiklar som får finnas i luften vi andas. Men de gränserna är satta till en nivå som är högre än rekommendationer från Världshälsoorganisationen WHO. De är alltså inte satta endast utifrån ett hälsoperspektiv utan även vilken nivå vi kan nå utan att göra för stora förändringar i samhället. Partiklarna i luften påverkar dock inte bara vår hälsa, de påverkar även vårt klimat. Partiklarna fungerar ungefär som speglar och reflekterar solens strålar tillbaka ut i rymden. Om mindre solljus når oss så blir det kallare. Partiklarna fungerar alltså kylande på klimatet. Det finns dock vissa partiklar, exempelvis sot, som kan absorbera solljuset och därmed verka värmande. Men partiklarna kan påverka jordens klimat på andra sätt. De kan göra det genom att ändra molnens egenskaper. Varje molndroppe börjar som en partikel. Om det finns fler partiklar i luften kommer vattnet att fördelas i fler droppar och vi kommer att få moln med fler men mindre droppar. Dessa moln är ”vitare” än moln med färre stora droppar och reflekterar mer ljus. Den effekten är alltså också kylande.

Kol-14, ett mångsidigt verktyg

Kol-14 är kanske mest känt från arkeologisk åldersbestämning av material från människans tidigare historia. Kol-14 är precis som annat kol men dess atomer har 8 neutroner i sin kärna istället för 6 eller 7 som kol vanligen har. Den extra neutronen gör att kärnan inte är stabil och sönderfaller med en halveringstid på 5730 år. Det betyder att det tar 5730 år för hälften av kol-14-atomerna att sönderfalla. Förenklat kan man säga att om man hittar en träbit som innehåller hälften så mycket kol-14 som en träbit från ett träd idag så är den träbiten 5730 år. Verkligheten är dock lite mer komplicerad. Fossila bränslen som bildats av biologiskt material som levde för många miljoner år sedan innehåller inget kol-14 eftersom allt har sönderfallit. Kol-14 är radioaktivt och skulle inte finnas alls på jorden om det inte kontinuerligt bildades nytt. Men nytt kol-14 bildas konstant när Jorden bombarderas av kosmisk strålning. Detta är något vi kan använda i aerosolforskning. Då partiklarna i atmosfären kommer från både fossila och moderna källor så kan kol-14 mätningen ge oss en bild av hur mycket de två olika grupperna av källor står för. Med denna teknik har vi funnit att växterna står för mer än 80 % av kolpartiklar vi samlar in under sommaren. Samma teknik kan användas inom andra områden. Om man tankar en lastbil med biodiesel kan man genom kol-14-mätning av avgaserna avgöra hur stor andel av partiklarna som kommer från bränslet, som innehåller kol-14, och hur mycket som kommer från motorns fossila smörjolja. Kol-14 är dock inte vårt enda verktyg för att bestämma varifrån partiklarna kommer. Vissa källor släpper ut specifika kemiska föreningar tillsammans med partiklarna. Dessa föreningar kan därför användas för att bestämma hur mycket vissa typer av källor släpper ut. Exempel på dessa föreningarna är levoglukosan som är en typ av sockermolekyl som bildas när cellulosa värms upp. Genom att mäta hur mycket levoglukosan som finns i luften är det möjligt att beräkna hur mycket partiklar i luften som kommer från förbränning av biomassa. Detta eftersom biomassa innehåller mycket cellulosa som värms upp när det bränns och då bildas levoglukosan.

Räkna på partiklar med modeller

Mängden partiklar mäts på många platser runt om på jorden men vi kan inte mäta överallt. Det kommer alltid att finnas luckor i mätningarna och man kan inte heller mäta alla variabler på alla stationer. För att kunna överföra mätningarna till partikelkoncentrationer över hela världen används modeller. Modellerna fungerar så att man anger hur mycket partiklar som släpps ut från ett visst område och beräknar sedan hur dessa partiklar rör sig, reagerar, och till slut faller ner till jorden. Men i atmosfären händer mycket med partiklarna som kan påverka deras förmåga att exempelvis regna ut. Kunskap om partiklarnas källor är viktiga för att utvärdera modellernas resultat. Man kan då se om det är vissa källor som modellen klarar av att beräkna sämre än andra. Det kan då bero på att vi felaktigt uppskattat hur mycket källorna bidrar med eller hur partiklarna reagerar i atmosfären. I den här avhandlingen har en europeisk modell utvärderats med avseende på dess förmåga att beräkna hur mycket olika källor bidrar till kolpartiklar i atmosfären. I stort förefaller det som att modellerna gör ett bra jobb när det gäller den totala mängden kol som hittas i luftens partiklar, men när man tittat på källorna såg man att modellen inte stämmer överens med mätningarna. Detta syntes tydligt för exempelvis vedförbränning som är en viktig källa till partiklar i Norden vintertid. Men med nya uppskattningar av utsläppen hamnade mätningar och modell närmre varandra. Detta är ett exempel på hur mätningarna av aerosoler kan användas för att göra modellen bättre.

Miljövetenskap och luftföroreningar

Luftföroreningar finns omkring oss i vår vardag. Vi vet att de påverkar vår hälsa negativt och även har påverkan på vårt klimat. Detta har lett till att det finns många som arbetar med luftföroreningar men många gånger med helt olika utgångspunkter. Vissa tittar på hälsoeffekter av alla sorters partiklar medan andra kontrollerar hur partiklar från olika källor påverkar vår hälsa. Man kan även beräkna hur stor påverkan partiklarna har på molnbildning eller på att sprida solens strålar. Men än mer spännande blir det när man samlar dessa grenar och tar helhetsgrepp på partikelproblematiken. Hur pass mycket mer hälsosamt blir det om vi halverar våra partikelutsläpp i Europa? Detta kan besvaras genom hur mycket friskare vi blir i Europa av att partikelkoncentrationen minskar. Men det kan också besvaras genom att se hur mycket mer klimatförändringarna skulle drabba övriga planeten när vi minskar partikelkoncentrationen och hur klimatförändringen drabbar människornas hälsa. Det är stora frågor vi står inför idag inom det breda fältet miljövetenskap, och det är väldigt spännande att vara en del av det. (Less)
Abstract
Aerosol particles are found in the whole troposphere. Research regarding these particles has gained increased attention because of the effect the particles have on both health and climate. In the atmosphere, aerosol particles scatter incoming solar radiation and this has a cooling effect on the Earth’s climate. But there are particles, especially those containing soot, which can absorb sun light and therefore having a heating effect on the Earth’s climate. Soot and other carbonaceous particles are problematic in atmospheric models. They originate from several sources and their emission factors are uncertain.

Model parameterisations and emission inventories for carbonaceous aerosol have recently been improved in the EMEP model. To... (More)
Aerosol particles are found in the whole troposphere. Research regarding these particles has gained increased attention because of the effect the particles have on both health and climate. In the atmosphere, aerosol particles scatter incoming solar radiation and this has a cooling effect on the Earth’s climate. But there are particles, especially those containing soot, which can absorb sun light and therefore having a heating effect on the Earth’s climate. Soot and other carbonaceous particles are problematic in atmospheric models. They originate from several sources and their emission factors are uncertain.

Model parameterisations and emission inventories for carbonaceous aerosol have recently been improved in the EMEP model. To evaluate the changes to the atmospheric model and its input, the model results must be compared with measurements. Measurements of carbonaceous aerosol and their sources are therefore important to improve the models and to be able to accurately determine how atmospheric aerosol concentrations would be influenced by future changes of the emissions. In this thesis, radiocarbon, OC/EC and organic tracers was used as input in to a receptor model to determine the sources to carbonaceous aerosols. The result was subsequently used to evaluate simulations from the EMEP model.

Radiocarbon is, as a radioactive carbon isotope, depleted in fossil fuels and therefore a good tracer for modern sources of carbonaceous particles such as biomass burning and the biota. The carbon mass required for radiocarbon analysis has within the frame of this work been lowered to 11 µg. This is an important step to be able to measure radiocarbon in aerosol samples that contain low amounts of carbon.

Using tracers and OC/EC, I have found that carbonaceous particles in Southern Sweden originate from mainly biogenic sources in the summer and mainly combustion of fossil fuels and biomass burning in the winter. Model comparison showed that the model could reproduce carbonaceous aerosol concentrations fairly well although not reproduce the sources’ individual contributions. However, a newly developed emission inventory for residential wood combustion improved the model’s results compared to the measurements.

A similar method that was used to determine the sources of atmospheric particles was used to determine to what extent diesel particles originated from the fuel and the lubrication oil. The soot (EC) was mainly formed from the fuel whereas the oil contributed to hydrocarbons in the exhaust. A method comparison showed that the method usually used by the engine manufactures will underestimate the influence of the lubrication oil. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Pio, Casimiro, CESAM, University of Aveiro, Portugal
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
publisher
Centre for Environmental and Climate Research (CEC), Lund University
defense location
Rydbergssalen, Fysiska institutionen, Professorsgatan 1, Lund
defense date
2013-02-08 09:00
project
MERGE
language
English
LU publication?
yes
id
8f7a2e18-665f-4bc2-8e22-026ab5faabd8 (old id 3359837)
date added to LUP
2013-01-14 17:18:42
date last changed
2016-09-19 08:45:13
@misc{8f7a2e18-665f-4bc2-8e22-026ab5faabd8,
  abstract     = {Aerosol particles are found in the whole troposphere. Research regarding these particles has gained increased attention because of the effect the particles have on both health and climate. In the atmosphere, aerosol particles scatter incoming solar radiation and this has a cooling effect on the Earth’s climate. But there are particles, especially those containing soot, which can absorb sun light and therefore having a heating effect on the Earth’s climate. Soot and other carbonaceous particles are problematic in atmospheric models. They originate from several sources and their emission factors are uncertain. <br/><br>
Model parameterisations and emission inventories for carbonaceous aerosol have recently been improved in the EMEP model. To evaluate the changes to the atmospheric model and its input, the model results must be compared with measurements. Measurements of carbonaceous aerosol and their sources are therefore important to improve the models and to be able to accurately determine how atmospheric aerosol concentrations would be influenced by future changes of the emissions. In this thesis, radiocarbon, OC/EC and organic tracers was used as input in to a receptor model to determine the sources to carbonaceous aerosols. The result was subsequently used to evaluate simulations from the EMEP model.<br/><br>
Radiocarbon is, as a radioactive carbon isotope, depleted in fossil fuels and therefore a good tracer for modern sources of carbonaceous particles such as biomass burning and the biota. The carbon mass required for radiocarbon analysis has within the frame of this work been lowered to 11 µg. This is an important step to be able to measure radiocarbon in aerosol samples that contain low amounts of carbon. <br/><br>
Using tracers and OC/EC, I have found that carbonaceous particles in Southern Sweden originate from mainly biogenic sources in the summer and mainly combustion of fossil fuels and biomass burning in the winter. Model comparison showed that the model could reproduce carbonaceous aerosol concentrations fairly well although not reproduce the sources’ individual contributions. However, a newly developed emission inventory for residential wood combustion improved the model’s results compared to the measurements.<br/><br>
A similar method that was used to determine the sources of atmospheric particles was used to determine to what extent diesel particles originated from the fuel and the lubrication oil. The soot (EC) was mainly formed from the fuel whereas the oil contributed to hydrocarbons in the exhaust. A method comparison showed that the method usually used by the engine manufactures will underestimate the influence of the lubrication oil.},
  author       = {Genberg, Johan},
  language     = {eng},
  publisher    = {ARRAY(0xb499970)},
  title        = {Source apportionment of carbonaceous aerosol - Measurement and model evaluation},
  year         = {2013},
}