인도의 높은 에어로졸 부하를 효과적으로 완화하기 위한 열역학적 프레임워크

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13667(2023) 이 기사 인용

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인도-갠게스 평원(IGP)은 미세 에어로졸의 주요 무기 성분인 염화암모늄과 질산암모늄으로 인해 매년 겨울 심각한 대기 오염을 경험합니다. IGP에서 대기 오염을 해결하려는 과거의 많은 시도는 미립자 물질 부담의 대부분이 본질적으로 이차적인 환경에서 주요 오염 물질의 하위 집합을 목표로 삼았기 때문에 부적절했습니다. 여기에서는 ISORROPIA-II 열역학 모델과 전구체 가스 및 에어로졸의 고해상도 동시 측정을 통합하여 에어로졸 완화에 대한 새로운 기계적 통찰력을 제공합니다. 염산(HCl), 질소 산화물(NOx), 암모니아(NH3) 및 에어로졸 액체 수분 함량(ALWC) 사이의 복잡한 상호 작용을 조사하기 위해 수학적 프레임워크를 탐구합니다. 에어로졸 산도(pH)와 ALWC는 미세 에어로졸의 기체-입자 상 분할 및 질량 부하를 조절하는 지배 요인으로 나타납니다. PM1과 PM2.5가 "HCl 및 HNO3 민감 체제"에 속하는 6개의 "민감도 체제"가 정의되었으며, 이는 HCl 및 HNO3 감소가 암모니아가 풍부한 IGP에서 에어로졸 완화를 위한 가장 효과적인 경로가 될 것임을 강조합니다. 겨울. 이 연구는 에어로졸 완화를 위한 전구체 저감이 질량 농도 감소에 기반을 두는 것이 아니라 높은 에어로졸 부하에 대한 민감도에 기반해야 한다는 증거를 제공합니다.

높은 에어로졸 부하량은 전 세계 수백만 명의 조기 사망의 중요한 원인이며, 대기 오염을 완화하는 것은 전 세계 연구자들의 주요 관심사입니다1,2. 그러나 높은 에어로졸 부하를 규제하거나 완화하려면 철저한 측정, 모니터링 및 조사가 필요합니다. 광범위한 노력에도 불구하고 대기 성분의 물리적, 화학적, 열역학적 특성에 대한 이해는 아직 에어로졸 완화가 정확하고 최적으로 수행될 수 있는 지점에 도달하지 못했습니다3,4,5,6. 에어로졸 특성이 생태계, 인간 건강 및 환경에 심각한 영향을 미치기 때문에 에어로졸 특성을 더 잘 이해해야 할 필요성이 점점 커지고 있습니다.

인도-갠게틱 평원(IGP)은 세계에서 가장 오염된 지역 중 하나입니다7,8,9,10. PM1과 PM2.5의 대량 부하량은 단기간(몇 시간) 동안 400~600μgm−3을 초과하는 경우가 많으며, 특히 교통 혼잡 시간과 겨울 야간 시간에 더욱 그렇습니다11,12. 연구에 따르면 유기물 부분은 일반적으로 전 세계적으로 PM1 질량의 50% 이상을 차지하며 미세 에어로졸의 무기물 부분은 황산염, 질산염 및 암모늄(SNA)으로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 대조적으로, 최대 오염 에피소드 동안 총 에어로졸 부하의 절반 이상이 본질적으로 무기물임을 보여주는 연구는 거의 없으며(표 S1), 대조되는 대기 조건에서 대기 성분의 물리화학적 및 열역학적 특성의 역할을 조사할 필요성을 지적합니다. . 예를 들어, Gani et al.17은 2018년 1월의 최고 오염 기간 동안 무기물 부분이 델리의 전체 PM1 질량 부하의 거의 60%를 차지했음을 보여주었습니다. 이러한 무기 에어로졸은 주로 염화물, 황산염, 질산염 및 암모늄(CSNA)으로 구성됩니다.

관찰된 시간당 염화물 농도는 100μgm−3를 여러 번 초과했으며, 이는 세계 어느 곳에서나 보고된 것 중 가장 높은 것으로 간주됩니다20. 기체상 암모니아(NH3)도 매우 높은 것으로 밝혀졌으며 이는 겨울철 2차 에어로졸 형성에 큰 영향을 미칩니다. 최근 여러 연구에서 중국, 미국 및 유럽4에서 전구체 가스 감소에 대한 에어로졸의 민감도를 조사했지만 인도에서 수행된 연구는 아직 수행되지 않았습니다. IGP에서 에어로졸 로딩의 효과적인 규제에 대한 과학적 이해를 향상시키기 위해서는 광범위한 노력이 필요합니다.

본 연구에서는 ISORROPIA-II 열역학적 평형 모델을 전구체 가스(HCl, HNO3 및 NH3) 및 무기 성분(Cl−, NO3−, SO42)의 데이터 세트와 통합하여 에어로졸 형성 및 완화에 대한 새로운 기계적 통찰력을 제공하는 것을 목표로 합니다. −, Na+, NH4+, K+, Ca2+ 및 Mg2+)는 IGP에서 MARGA-2S 기기의 첫 번째 배포를 사용하여 획득한 PM1 및 PM2.5입니다(보충 텍스트 S1). 우리는 에어로졸의 S자형 곡선과 "감도 체계"를 사용하여 기체 전구체 농도(HCl, HNO3 및 NH3), pH 및 ALWC와 같은 다양한 매개변수에 대한 에어로졸의 가스-입자 분할 민감도를 조사하기 위한 수학적 프레임워크를 탐색합니다. 우리가 아는 바로는, 이는 인도 지역에 대한 에어로졸의 열역학적 제어를 조사하려는 첫 번째 시도이며, 이 연구에서 발전된 "열역학적 로드맵"은 IGP에서 효과적이고 목표화된 완화 전략을 제공할 수 있습니다.

pH‴, where aerosol mass concentration is not sensitive to HNO3, HCl or NH3 change and defined as "insensitive",/p> pH′, pH < pH″ and pH > pH‴, where aerosol mass concentration is sensitive to HNO3 and not sensitive to HCl and NH3 perturbations and defined as "HNO3 sensitive",/p> pH′, pH″ and pH > pH‴, where aerosol mass concentration is sensitive to HCl, HNO3 and not sensitive to NH3 perturbations and defined as "HCl and HNO3 sensitive",/p> pH′, pH″ and pH < pH‴, where aerosol mass concentration is sensitive to HCl, HNO3, and NH3 perturbations and defined as "HCl, NH3 and HNO3 sensitive",/p> pH′ and pH < pH″, pH‴, where aerosol mass concentration is sensitive to HNO3 and NH3 and not sensitive to HCl and defined as "HNO3 and NH3 sensitive", and/p>