Activation properties of particles as cloud condensation nuclei

Resumen

Esta tesis doctoral se centra en el estudio de las propiedades de activación de partículas del aerosol atmosférico como núcleos de condensación de nubes (CCN), con el fin de mejorar el conocimiento existente sobre cómo evolucionan las partículas en la atmósfera para convertirse en CCN efectivos. Para llevar a cabo este objetivo se han analizado las propiedades fisicoquímicas de las partículas y sus propiedades de activación como CCN mediante técnicas in-situ en dos entornos diferentes. Para estudiar las propiedades de activación de las partículas del aerosol como CCN a la altura a la que podrían formarse las nubes y evaluar la influencia antropogénica en ambientes remotos, en primer lugar se han caracterizado las propiedades de activación de las partículas en dos emplazamientos diferentes del sur de España: una estación urbana en la ciudad de Granada y una estación de montaña de gran altitud en el Parque Nacional de Sierra Nevada, con una separación horizontal entre ambas de 21 km y vertical de 1820 m. La actividad de las partículas del aerosol como CCN en el entorno urbano está controlada por fuentes primarias, principalmente el tráfico rodado. Se observaron altas concentraciones de CCN durante las horas punta de tráfico, coincidiendo con valores bajos de la fracción de activación. Esto se debe a las características de la población de partículas del aerosol durante las horas de mayor influencia del tráfico, que está dominada por partículas ultrafinas y de baja higroscopicidad. Por el contrario, en el emplazamiento de montaña se observó la presencia de partículas de mayor tamaño y caracterizadas por una mayor higroscopicidad. Estas características están relacionadas con una actividad de CCN impulsada por el efecto conjunto de los eventos de formación de nuevas partículas (NPF) y el transporte vertical de partículas antropogénicas desde la zona urbana de Granada por flujo ascendente orográfico. Esta situación atmosférica conlleva concentraciones máximas de CCN y partículas del aerosol a mediodía. En la estación de Sierra Nevada se observaron claras diferencias en la evolución diurna de los CCN entre los días con y sin eventos de NPF. Se ha estimado que la contribución aislada de los NPF a la concentración de CCN a sobresaturaciones de vapor de agua (SS) de 0.5% es un 175% mayor en relación con lo que sería un día sin NPF, revelando que las concentraciones de CCN pueden ser altamente modificadas durante los eventos de NPF. Asimismo, se han propuesto dos modelos empíricos para parametrizar las concentraciones de CCN en términos de parámetros ópticos o físicos de las partículas del aerosol para ambas estaciones de medida. Los modelos propuestos explican satisfactoriamente las medidas en la estación urbana, mientras que en la estación de montaña ninguno de los modelos reproduce satisfactoriamente las observaciones, probablemente debido a los cambios en las propiedades de las partículas causadas por el transporte de las partículas urbanas desde alturas más bajas y los eventos de NPF. Dado que se observó que las partículas del aerosol urbano afectaban a la actividad de los CCN en el emplazamiento de montaña durante el verano, se llevó a cabo una nueva campaña en el emplazamiento urbano durante el verano para obtener una visión más profunda de las diferentes fuentes y procesos que afectan a las partículas y desentrañar su influencia en las concentraciones de CCN. Se utilizó un modelo de agrupamiento o clustering para clasificar las principales categorías de partículas y los procesos que tienen lugar en la atmósfera urbana y, a continuación, se analizó la influencia de las poblaciones de partículas identificadas en las propiedades de los CCN. De acuerdo con las propiedades físicas de cada grupo, su patrón de variación diurna y parámetros adicionales, los clústers se agruparon en cinco categorías principales de partículas: nucleación, crecimiento, tráfico, tráfico envejecido y fondo urbano. Los resultados mostraron que las categorías de tráfico envejecido y fondo urbano son las fuentes de CCN más eficientes. Por el contrario, la categoría de tráfico se observó como la principal fuente de partículas del aerosol y con la mayor frecuencia de observación (32% de todos los datos), sin embargo, su impacto en la actividad CCN es muy limitado debido al menor diámetro medio de las partículas y a su composición química hidrófoba. De forma similar, las categorías de nucleación y crecimiento, asociadas a eventos NPF, presentan grandes concentraciones de partículas y gran frecuencia de ocurrencia (22% y 28%, respectivamente), pero la concentración de CCN para estas categorías es aproximadamente la mitad de la concentración de CCN observada para la categoría de tráfico envejecido. En general, estos resultados muestran que la influencia directa de las emisiones de tráfico en la concentración de CCN es limitada, sin embargo, cuando estas partículas sufren procesos de envejecimiento, tienen una influencia significativa en las concentraciones de CCN y pueden ser una fuente importante de CCN. Así, las partículas urbanas podrían ser transportadas a otros entornos remotos modificando la concentración de CCN en esos lugares, donde sí se pueden dar las condiciones para la formación de una nube. Por último, para mejorar la capacidad de predicción de la concentración de CCN en el emplazamiento de alta montaña y comprender los cambios en las propiedades de las partículas del aerosol en este emplazamiento, se realizó una campaña de medidas centrada en el estudio de la composición química de las partículas y su relación con las propiedades de activación como CCN. Se llevó a cabo un método más directo para calcular las concentraciones de CCN basado en medidas de la distribución de tamaño del aerosol y el cálculo del parámetro de higroscopicidad utilizando medidas de la composición química. En este emplazamiento, la concentración másica del aerosol submicrométrico estaba constituida en un 70% de aerosol orgánico y, por tanto, los compuestos orgánicos desempeñan un papel crucial en la definición de la higroscopicidad total del aerosol Se propusieron diferentes esquemas de higroscopicidad de las partículas orgánicas para evaluar la influencia de la higroscopicidad de los compuestos orgánicos en la predicción de la concentración de CCN. Las principales fuentes de partículas orgánicas se identificaron mediante el método de Factorización Matricial Positiva. Los resultados evidenciaron el predominio de partículas orgánicas secundarias con alto grado de oxidación en la población total del aerosol en Sierra Nevada. Las predicciones de CCN para todos los esquemas de orgánicos mostraron un buen acuerdo con las observaciones, con pendientes y coeficientes de correlación entre las concentraciones de CCN predichas y medidas de 1.02-1.40 y 0.89-0.94, respectivamente, dependiendo del esquema de predicción. Sin embargo, cuando la población de partículas se ve afectada por la influencia de la capa límite atmosférica (ABL) durante las horas de la mañana y del mediodía (afectada por el transporte vertical de partículas o por eventos de NPF), las concentraciones de CCN predichas sobreestiman las medidas en un rango más amplio (de 0 a 35%). Estos resultados demuestran que el conocimiento detallado de las fuentes del aerosol y la higroscopicidad de los compuestos orgánicos no son suficientes para obtener predicciones fiables de CCN en todas las condiciones atmosféricas, especialmente durante las situaciones de influencia de la ABL. En este sentido, incluso en entornos de montaña donde la población de partículas del aerosol se espera que muestren condiciones típicas de troposfera libre, los cambios en las propiedades de partículas y las condiciones del estado de mezcla de estas podrían desempeñar un papel crucial a la hora de predecir los CCN.