AZ AEROSZOL RÉSZECSKÉK HIGROSZKÓPOS TULAJDONSÁGA Doktori (PhD) értekezés tézisei Imre Kornélia Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskola Konzulens: Dr. Molnár Ágnes tudományos főmunkatárs Pannon Egyetem Föld és Környezettudományi Intézeti Tanszék Veszprém 2009
Bevezetés A légkör víztartalma mind folyékony, mind gőz állapotban jelentős szerepet játszik a légköri folyamatokban (üvegháthatás, optikai tulajdonságok, felhőfolyamatok). Az aeroszol részecskék kémiai összetételüknek köszönhetően telítetlen (RH<100%) légköri körülmények között is vízgőzt abszorbeálnak. Ennek következtében e részecskék oldatcseppeket alkotnak, amelyek egyensúlyban vannak a környezetükkel. Ez a folyadékszilárd átmenet az úgynevezett elfolyósodási relatív nedvességen következik be, amit az egyes részecskék kémiai összetétele határoz meg. A szervetlen vegyületek higroszkópos tulajdonságai jól ismertek, azonban a szerves vegyületekről kevés információ áll a rendelkezésünkre. Irodalmi adatok alapján a szerves komponensek csökkenthetik, illetve növelhetik az aeroszol részecskék vízfelvételét. A részecskék higroszkópos viselkedésének méretfüggéséről különösen kevés adat található a szakirodalomban, annak ellenére, hogy ez az információ fontos szerepet tölt be számos légköri folyamat, pl. a felhőképződés tanulmányozásában. Mindezek alapján, munkám során célom volt: A légköri aeroszol részecskék higroszkópos viselkedésének méretváltozását az eddigi vizsgálatokhoz képest szélesebb (d=0,125-16µm) mérettartományban tanulmányozása Összehasonlítani különböző helyszínekről (háttér, vidéki és városi környezetből) származó aeroszol részecskék higroszkópos tulajdonságát. Tanulmányozni a higroszkópos viselkedés évszakok szerinti változását. Vizsgálni az aeroszol részecskék kémiai összetételének, főként a szerves komponensek higroszkópos növekedésre gyakorolt hatását, egy termodinamikai modell segítségével. Egyszerű modellt alkalmazni a részecskék higroszkópos viselkedésének modellezésére.
Vizsgálni az aeroszol részecskék fénygyengítése és a részecskék higroszkópos tulajdonsága közötti kapcsolatot a látótávolság és relatív nedvesség adatok segítségével. Az aeroszol részecskék tömegének higroszkópos növekedését állítható relatív nedvességű izolált kamrában határoztam meg. Az aeroszol részecskék szervetlen komponenseinek kémiai analízise ionkromatográfiával, az összes- és vízoldható széntartalmú vegyületek meghatározása EGA (Envolved Gas Analysator) módszerrel történt. A modellszámításokhoz az AIM (Aerosol Inorganics Model) modellt használtam, amely termodinamikai egyenletek alapján, a szervetlen vegyületek vízfelvételét határozza meg.
Új tudományos eredmények 1. Meghatároztam a városi és vidéki valamint a kontinentális háttér levegőben lévő aeroszol részecskék higroszkópos növekedésének méret szerinti eloszlását a 125 nm és a 16 µm közötti aerodinamikai átmérő tartományban. A városi aeroszol részecskék higroszkópos növekedése a teljes mérettartományban kicsi. A növekedési tényező 86% feletti relatív nedvességen a teljes mérettartományban csökken. A vidéki aeroszol minták vízfelvétele általában a teljes mérettartományban nő a részecskemérettel, nyáron ugyanakkor a méret növekedésével csökkenő higroszkóposság jellemző. Háttérlevegőben, a finom tartományban a részecskeméret növekedésével csökken a vízfelvétel mértéke, míg a durva tartományban a méret növekedésével a részecskék higroszkópossága ismét jelentős.. 2. Megállapítottam, hogy az aeroszol részecskék higroszkópos növekedése évszak szerint is változik. A háttér és a vidéki levegőben a finom (d<1µm) aeroszol részecskék ősszel és télen a legkevésbé, míg nyáron a leginkább higroszkóposak. A durva tartományban (d>1µm) ugyanakkor a nyári minták vízfelvétele a legkisebb, és a téli (háttérlevegő) és az őszi (vidéki) mintáké a legnagyobb. 3. Kimutattam, hogy az aeroszol részecskék higroszkópos viselkedésére jellemző a hiszterézis, amelyet a kiindulási száraz tömeg és a vízleadás utáni RH=30%-on mért tömegkülönbséggel jellemeztem. A visszatartott víz mennyisége általában a háttérlevegőben a legnagyobb, a városi levegőben a legkisebb. Megállapítottam, hogy a visszatartott víz mennyisége évszakonként, valamint a részecskemérettel is változik: általában a finom tartományban nagyobb, mint a durva tartományban; és a tavasz-nyár-ősztél sorrendben csökken. 4. A kémiai összetétel és a higroszkópos növekedés között a nyári háttéraeroszol kivételével nem mutattam ki egyszerű, közvetlen kapcsolatot. A nyári háttéraeroszol esetében megállapítottam, hogy a minták összes széntartalma közvetlenül befolyásolja a felvett víz mennyiségét. A relatív nedvesség növekedésével, ha TC koncentráció 1 µgm -3 - rel növekszik, a vízfelvétel csökkenése, 0,74 (RH=51%); 1,2 (RH=64%); 1,99 (RH=76%); 2,43 (RH=86%) µgm -3 mal egyenlő.
5. A kémiai összetétel és a higroszkópos növekedés közötti összetett kapcsolatot az egységnyi TC koncentrációra jutó vízkülönbözet és a szervetlen ionok kation/anion arányának együttes vizsgálatával mutattam ki. A háttéraeroszol mintákban minden évszakban az egységnyi TC-re jutó vízkülönbözet és a kation/anion arány között szignifikáns (p=0,05) összefüggés figyelhető meg. Szervetlen aniontöbblet esetén a vízkülönbözet/tc arány negatív, szervetlen kationtöbbletnél pozitív értékű. 6. Megállapítottam, hogy a gamma-modell segítségével mindhárom helyszínről származó aeroszol részecskék higroszkópos növekedése jó közelítéssel leírható. A higroszkópos növekedést jellemző γ kitevők értékei helyszíntől és mérettartománytól függő paraméterek. Általában, háttér- és vidéki levegőben a kitevő értéke a méret növekedésével nő, míg a városi aeroszolminták γ értékei a méret növekedésével csökkennek. 7. Az aeroszol részecskék szervetlen komponensei alapján a gamma-modellel számított, és az aeroszol minták mért növekedési tényezőinek összehasonlításával kimutattam, hogy a városi mintákban a részecskék higroszkópos növekedését elsősorban a szervetlen vegyületek határozzák meg (GF számított GF mért ). Ezzel szemben, a háttér- és vidéki aeroszolmintákban, elsősorban télen és nyáron, a két növekedési tényező között jelentős különbséget mutattam ki. Nyáron a finom tartományban a számított GF meghaladta a mértet, míg a durva mérettartományban fordított eredményt kaptam. Az eredményeket magyarázza, hogy a finom részecskék kémiai összetételét a kis TC tömeghányad és szervetlen aniontöbblet jellemzi, míg a durva tartományban a kis TC hányad mellett jelentős a kationtöbblet. A téli háttéraeroszolminták finom tartományában a pozitív eltéréshez (GF mért > GF számított ) nagy TC-tartalom (kis WSOC hányad), valamint szervetlen aniontöbblet társul. A durva tartományban a nyárihoz hasonló eredményeket mutattam ki. 8. Látótávolság és relatív nedvesség adatok (23 állomás) segítségével megállapítottam, hogy a fénygyengítési együttható és a relatív nedvesség közötti összefüggés a részecskék higroszkópos viselkedésének leírására használt gamma-modell segítségével, jó közelítéssel meghatározható. Az extinkciós együtthatókból számított növekedési faktor értékek (RH=85%) 1,22 és 1,95 között változtak, átlaguk 1,64. Megállapítottam, hogy az extinkciós együtthatóból származtatott GF értékek felülbecslik a mért GF értékeket.
Tudományos közlemények PUBLIKÁCIÓK Imre K., Molnár A., Mészáros E., (2003) Hygroscopic behavior of aerosol particles in regional background and urban air over Hungary. Journal of Aerosol Science 1, S7-8. Imre K., Molnár A., Mészáros E., (2004) Study of the hygroscopic behavior of regional background atmospheric aerosol. Journal of Aerosol Science 35, 865-866. Molnár A., Mészáros E., Imre K., Rüll A., (2008) Trends in visibility over Hungary between 1996 and 2002. Atmospheric Environment 42, 2621-2629. Imre K., Molnár A., (2008) Hygroscopic behavior of Central European atmospheric background aerosol particles in summer. Időjárás, 112, 63-82. Benkő D., Molnár Á., Imre K., (2009) Study on the size dependence of complex refractive index of atmospheric aerosol particles over Central Europe, Időjárás (accepted) KONFERENCIA European Aerosol Conference 2004, Budapest, Imre K., Molnár Á., Mészáros E., Study of the hygroscopic behavior of regional background atmospheric aerosol. European Aerosol Conference 2005, Gent, Imre K., Molnár A., Kiralykuti I.: Chemical composition and hygroscopic growth of atmospheric aerosol under different environments. European Aerosol Conference 2005, Gent, Benkő D., Imre K., Molnár A.: Variation of refractive index of background aerosol due to hygroscopic growth in Central European air. Conference on Visibility, Aerosols and Atmospheric Optics, 2006, Bécs, Molnár A., Mészáros E., Imre K., Rüll A., Trends in visibility over Hungary (2002-2006). 33. Meteorológiai Tudományos Napok, 2007, Budapest, Molnár Á., Benkő D., Imre K.: Az aeroszol részecskék optikai tulajdonságai méreteloszlásuk és kémiai összetételük függvényében. Magyar Aeroszol Konferencia, Balatonfüred, 2009. Balatonfüred, Imre K., Gelencsér A., Molnár Á., Dézsi V., A vízfelvétel és -visszatartás (hiszterézis) szerepe a PM10 szabványos mérésében. POSZTER ACCENT Symposium, 2005, Urbino, Imre K. Molnár Á. Mészáros E.: Study of the hygroscopic behaviour of regional background atmospheric aerosol. European Aerosol Conference, 2007, Salzburg, Imre K. Molnár Á., Benkő D., Aerosol hygroscopicity as the function of the size and the chemical composition. Benkő D., Molnár A., Imre K. and Párkányi D. 2008, Helsinki, Size distribution of total carbon and sulfate concentration in background aerosol, Hungary.