Anthropogenic influence on new particle formation in the marine boundary layer atmosphere
(2014) FYSM60 20141Department of Physics
Nuclear physics
- Abstract
- The most important parameter for estimates of the anthropogenic induced climate change is the radiative forcing. In a comparison of the earth’s radiative budget in the year 2011 relative to 1750, the intergovernmental panel on climate change concludes that the largest uncertainty in the total radiative forcing derives from aerosol particles and their ability to modify cloud properties as cloud condensation nuclei (CCN). This uncertainty may be reduced from increased knowledge of the spatial and temporal distribution of aerosol particles with CCN properties.
In this project, aerosol particles formed in coastal and marine atmospheres through so called new particle formation (NPF) were analysed spatially and temporally and an assessment of... (More) - The most important parameter for estimates of the anthropogenic induced climate change is the radiative forcing. In a comparison of the earth’s radiative budget in the year 2011 relative to 1750, the intergovernmental panel on climate change concludes that the largest uncertainty in the total radiative forcing derives from aerosol particles and their ability to modify cloud properties as cloud condensation nuclei (CCN). This uncertainty may be reduced from increased knowledge of the spatial and temporal distribution of aerosol particles with CCN properties.
In this project, aerosol particles formed in coastal and marine atmospheres through so called new particle formation (NPF) were analysed spatially and temporally and an assessment of the anthropogenic impact on the marine NPF was attempted.
A method known as the NanoMap method was applied to infer the frequency of NPF in marine environments in the North Sea, Baltic Sea and the Mediterranean Sea. The results of the NanoMap analysis clearly identifies NPF frequently occurring in all three marine environments. The results suggested furthermore an increased probability of NPF in areas with heavy shipping. If the particles formed by the NPF grow to sizes with diameters larger than 50 nm, these may participate in the formation of clouds as CCN.
To assess the anthropogenic impact on marine NPF, aerosol properties and NPF were simulated with the ADCHEM model. The input gas phase emissions to the model were emissions from anthropogenic, biogenic and natural sources. The simulations were carried out mainly over the the North Sea and the model was evaluated against the total particle volume measured in Høvsøre, Denmark. The model results were reasonably consistent with the observations.
From the ADCHEM modelling results, it was concluded that anthropogenic marine emissions do influence NPF. The modelled particle size distribution at Høvsøre showed evidence of an increase in the NPF most likely as a result of anthropogenic emissions of condensable gases. However, particulate matter from shipping emissions were in some cases found to suppress the NPF. It was therefore concluded that new marine emission control legislations of sulphur-containing compounds may result in a decrease of marine NPF. If particulate emissions were also to be reduced, the result may instead be an increase of marine NPF.
The ADCHEM model results were furthermore compared to the NanoMap analysis of the same period. The comparison showed that the modelled and the inferred NPF in the marine areas coincided to a large extent. The consistency between the modelled and the inferred NPF is an encouraging result and provides a first verification of the NanoMap analysis. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Ville Berg Malmborg
Skeppstrafiken ökar antalet nanopartiklar i atmosfären
I den här studien där aerosoler, luft-partiklar, studerats i marin miljö visar resultaten att utsläpp från skeppstrafiken kan bidra till att öka antalet nanopartiklar i luften. De partiklar som studerats här är i första hand de allra minsta nanopartiklarna som bildas i atmosfären. Dessa bildas vid ungefär 1 nanometer genom nypartikelbildning (NPB) och om dessa växer kan de potentiellt få stor inverkan på klimatet och molnbildning i atmosfären.
Skeppspartiklarna bildas framförallt direkt vid förbränning av fossilt bränsle och kallas primärpartiklar. Gasutsläpp från skeppstrafiken kan leda till att partiklar bildas vid ett senare tillfälle i atmosfären, så... (More) - Ville Berg Malmborg
Skeppstrafiken ökar antalet nanopartiklar i atmosfären
I den här studien där aerosoler, luft-partiklar, studerats i marin miljö visar resultaten att utsläpp från skeppstrafiken kan bidra till att öka antalet nanopartiklar i luften. De partiklar som studerats här är i första hand de allra minsta nanopartiklarna som bildas i atmosfären. Dessa bildas vid ungefär 1 nanometer genom nypartikelbildning (NPB) och om dessa växer kan de potentiellt få stor inverkan på klimatet och molnbildning i atmosfären.
Skeppspartiklarna bildas framförallt direkt vid förbränning av fossilt bränsle och kallas primärpartiklar. Gasutsläpp från skeppstrafiken kan leda till att partiklar bildas vid ett senare tillfälle i atmosfären, så kallade sekundärpartiklar. Vid NPB bildas enbart sekundärpartiklar. NPB är en process där ett ämne i gas-fas kondenserar till flytande eller fast fas. NPB kan påverka klimatet när de små partiklarna växer till större storlekar och bildar så kallade kondensationskärnor. Kondensationskärnor är partiklar som tillåter vattenånga att kondensera vid de förhållanden som råder i atmosfären. Dessa partiklar är därför nödvändiga för bildandet av moln. Tidigare studier har visat att NPB kan bidra med 5-50 % av alla kondensationskärnor globalt sett och förändringar i NPB kan därför kraftigt påverka klimatet.
För att studera den antropogena påverkan på NPB i marina miljöer tillämpades i studien två metoder. Förhållandena för NPB i den marina atmosfären över Nordsjön simulerades med hjälp av en aerosol-modell. Vidare användes en mätbaserad metod som kallas NanoMap för att påvisa var och hur ofta NPB sker i marina miljöer.
Resultaten från NanoMap-studien visar att NPB är ett ganska vanligt fenomen i den marina atmosfären i både Nordsjön, Östersjön och Medelhavet. Ett viktigt resultat visar på en anmärkningsvärt hög sannolikhet för NPB i marina områden med kraftig mänsklig aktivitet. Figur 1 visar resultat från NanoMap-studien i östra Medelhavet samt inringade områden med kraftiga utsläpp från skeppstrafiken, enligt den europeiska samarbetsorganisationen EMEP. I modellstudien där NPB simulerades i Nordsjön framkom att stora antropogena utsläpp av primärpartiklar kan leda till mindre NPB. Dock visade resultaten att den sammanlagda effekten av utsläppen av både gaser och primärpartiklar från skeppstrafiken ger en ökning av NPB över hav och i kustnära miljöer.
Den internationella sjöfartsorganisationen har möjlighet att reglera utsläppen från skeppstrafiken. Nya regleringar som träder i kraft den 1 januari 2015 skall minska skeppsutsläppen av svaveldioxid i Nordsjön till en tiondel av dagens värde. Enligt resultaten i denna studie kan detta leda till mindre frekvent NPB i Nordsjön. Eftersom den slutgiltiga ökningen eller minskningen i NPB kan få effekter för klimatet, då antalet kondensationskärnor i luften sannolikt kan påverkas, finns ett starkt behov av fler studier av NPB som klarlägger både antropogena och biogena källor till NPB.
Handledare: Adam Kristensson, Pontus Roldin och Erik Swietlicki
Examensarbete 60 hp i Fysik, 2014
Fysiska institutionen, Lunds Universitet (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/4611612
- author
- Berg Malmborg, Vilhelm LU
- supervisor
-
- Adam Kristensson LU
- Pontus Roldin LU
- Erik Swietlicki LU
- organization
- course
- FYSM60 20141
- year
- 2014
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Climate change, Aerosols, Physics, Modelling, New particle formation, NPF, NanoMap, ADCHEM, Shipping emissions
- language
- English
- id
- 4611612
- date added to LUP
- 2014-08-28 09:59:23
- date last changed
- 2015-12-14 13:32:58
@misc{4611612,
abstract = {{The most important parameter for estimates of the anthropogenic induced climate change is the radiative forcing. In a comparison of the earth’s radiative budget in the year 2011 relative to 1750, the intergovernmental panel on climate change concludes that the largest uncertainty in the total radiative forcing derives from aerosol particles and their ability to modify cloud properties as cloud condensation nuclei (CCN). This uncertainty may be reduced from increased knowledge of the spatial and temporal distribution of aerosol particles with CCN properties.
In this project, aerosol particles formed in coastal and marine atmospheres through so called new particle formation (NPF) were analysed spatially and temporally and an assessment of the anthropogenic impact on the marine NPF was attempted.
A method known as the NanoMap method was applied to infer the frequency of NPF in marine environments in the North Sea, Baltic Sea and the Mediterranean Sea. The results of the NanoMap analysis clearly identifies NPF frequently occurring in all three marine environments. The results suggested furthermore an increased probability of NPF in areas with heavy shipping. If the particles formed by the NPF grow to sizes with diameters larger than 50 nm, these may participate in the formation of clouds as CCN.
To assess the anthropogenic impact on marine NPF, aerosol properties and NPF were simulated with the ADCHEM model. The input gas phase emissions to the model were emissions from anthropogenic, biogenic and natural sources. The simulations were carried out mainly over the the North Sea and the model was evaluated against the total particle volume measured in Høvsøre, Denmark. The model results were reasonably consistent with the observations.
From the ADCHEM modelling results, it was concluded that anthropogenic marine emissions do influence NPF. The modelled particle size distribution at Høvsøre showed evidence of an increase in the NPF most likely as a result of anthropogenic emissions of condensable gases. However, particulate matter from shipping emissions were in some cases found to suppress the NPF. It was therefore concluded that new marine emission control legislations of sulphur-containing compounds may result in a decrease of marine NPF. If particulate emissions were also to be reduced, the result may instead be an increase of marine NPF.
The ADCHEM model results were furthermore compared to the NanoMap analysis of the same period. The comparison showed that the modelled and the inferred NPF in the marine areas coincided to a large extent. The consistency between the modelled and the inferred NPF is an encouraging result and provides a first verification of the NanoMap analysis.}},
author = {{Berg Malmborg, Vilhelm}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Anthropogenic influence on new particle formation in the marine boundary layer atmosphere}},
year = {{2014}},
}