Carbono orgánico soluble en el Mediterráneo: fuentes e influencia en las propiedades ópticas

Abstract

Este estudio ha analizado la evolución temporal y las fuentes de carbono orgánico soluble en agua (WSOC) en partículas submicrométricas en un emplazamiento urbano de Elche (España) a lo largo del año 2021. Para tal fin se monitorizaron filtros de PM1 (N = 200) a partir de los cuales se obtuvieron los siguientes constituyentes químicos: carbono orgánico (OC) y elemental (EC), WSOC, levoglucosano, análisis elemental y iones principales. Se completó el estudio analizando la distribución másica del WSOC en el modo de acumulación utilizando para ello mediciones segregadas por tamaño (0.25, 0.44, 1.0, 1.4 μm) obtenidas gracias a un impactador en cascada tipo MOUDI. Simultáneamente, se caracterizó la absorción y dispersión de la radiación por parte del WSOC. A partir de los resultados de la distribución másica de WSOC también se obtuvo el tamaño con mayor eficiencia de absorción. Durante el periodo de estudio, las restricciones de tráfico debidas a la COVID-19 dieron lugar a concentraciones de PM1 y compuestos carbonosos inferiores a las esperadas. La concentración media anual de WSOC fue de 0.95 μg⋅m- 3, con valores máximos durante los meses más fríos. El análisis de fuentes determinó tres fuentes principales de WSOC: quema de biomasa (BB-30.6 %), dominante durante los meses más fríos, el tráfico rodado (RT-23.9 %), se presentó como una fuente bastante estable y la contribución de una fuente relacionada con la formación de aerosoles orgánicos secundarios (SOA-33.8 %), dominante durante el periodo más cálido. Fuentes minoritarias fueron: el polvo mineral (MD-7.4 %) y el nitrato secundario (SN-4.2 %). Para determinar la contribución de diferentes fuentes a la absorción de luz de WSOC (σWSOC) se obtuvieron previamente los valores BrC,. La contribución media del BrC a la absorción total fue de 29 % a 370 nm, revelando una influencia significativa del BrC a la absorción de luz. Asumiendo que la absorción de luz del BrC procedía de WSOC y WIOC, se utilizó un modelo de regresión multilineal (MLR) para estimar WSOC y WIOC. Los valores medios (SD) fueron muy similares para ambos componentes: WSOC,370=1.6 (0.7) Mm-1 y WIOC,370=1.9 (0.7) Mm-1. Utilizando las fuentes mayoritarias determinadas de WSOC junto con nuevamente un análisis MLR se estimó la contribución de cada una de ellas. Los resultados apuntan a la quema de biomasa como fuente dominante de WSOC durante la estación fría, con una contribución de 37 %. Las fuentes de polvo mineral y nitrato secundario, que no se incluyeron en el modelo debido a su baja contribución a la concentración másica de WSOC, representaron un porcentaje significativo de WSOC durante este periodo. El aerosol orgánico secundario fue la principal fuente durante la estación cálida (56 %), seguida de las emisiones del tráfico (30 %). Por último, se seleccionó un mes (11 Ene 2021 a 11 Feb 2021) para explorar las diferencias en las distribuciones de tamaño de masa del WSOC en diferentes condiciones meteorológicas y determinar el tamaño más eficiente para la absorción de luz por el WSOC en el modo de acumulación. Se observaron diferencias significativas en las concentraciones de WSOC y en los valores de ap, durante los episodios de elevada estabilidad atmosférica en comparación con los días sin eventos. Los aumentos de las concentraciones de WSOC durante estos episodios se asociaron muy probablemente a la producción fotoquímica de compuestos secundarios (en el submodo condensación) y a la absorción de agua (en el submodo droplet). No se detectaron aumentos significativos de los niveles de WSOC durante los eventos de polvo sahariano. El WSOC medido en el corte de tamaño más pequeño (0.25 μm) fue emitido principalmente por la quema de biomasa (BB) y mostró la mayor eficiencia de absorción de luz.

This study has analysed the temporal evolution and sources of water-soluble organic carbon (WSOC) in submicrometric particulate matter at an urban site in Elche (Spain) over the year 2021. For this purpose, PM1 filters (N = 200) were monitored and the following chemical constituents were obtained: organic carbon (OC) and elemental carbon (EC), WSOC, levoglucosan, elemental analysis and main ions. The study was completed by analysing the mass distribution of WSOC in the accumulation mode using size segregated measurements (0.25, 0.44, 1.0, 1.4 μm) obtained with a MOUDI cascade impactor. Simultaneously, the absorption and scattering of solar radiation by the WSOC was characterised. From the results of the WSOC mass distribution, the size with the highest absorption efficiency could also be obtained. During the study period, traffic restrictions due to COVID-19 resulted in lower than expected concentrations of PM1 and carbonaceous compounds. The annual average WSOC concentration was 0.95 μg⋅m-3, with maximum values during the coldest months. The source analysis determined three main sources of WSOC: biomass burning (BB-30.6%), dominant during the coldest months, road traffic (RT-23.9%), presented as a rather stable source and the contribution of a source related to secondary organic aerosol formation (SOA-33.8%), dominant during the warmest period. Minority sources were mineral dust (MD-7.4%) and secondary nitrate (SN- 4.2%). To determine the contribution of different sources to the light absorption of WSOC (σWSOC), the values BrC, were previously obtained. The average contribution of BrC to the total aerosol absorption was 29% at 370 nm, revealing a significant influence of BrC to the light absorption in the study area. Assuming that the light absorption of BrC came from WSOC and WIOC, a multilinear regression (MLR) model was used to estimate WSOC and WIOC. The mean values (SD) were very similar for both components: WSOC,370=1.6 (0.7) Mm-1 and WIOC,370=1.9 (0.7) Mm-1. Using the majority sources determined from WSOC together with again MLR analysis the contribution of each of them was estimated. The results point to biomass burning as the dominant source of WSOC during the cool season, with a contribution of 37%. Mineral dust and secondary nitrate sources, which were not included in the model due to their low contribution to the WSOC mass concentration, accounted for a significant percentage of WSOC during this period. Secondary organic aerosol was the main source during the warm season (56%), followed by traffic emissions (30%). Finally, one month (11 Jan 2021 to 11 Feb 2021) was selected to explore differences in WSOC mass size distributions under different meteorological conditions and to determine the most efficient size for light absorption by WSOC in the accumulation mode. Significant differences in WSOC concentrations and ap, values were observed during episodes of high atmospheric stability compared to non-event days. Increases in WSOC concentrations during these episodes were most likely associated with photochemical production of secondary compounds (in the condensation sub-mode) and water absorption (in the droplet sub-mode). No significant increases in WSOC levels were detected during Saharan dust events. WSOC measured at the smallest size cut-off (0.25 μm) was mainly emitted by biomass burning (BB) and showed the highest light absorption efficiency.