インドにおける高濃度エアロゾル負荷を効果的に緩和するための熱力学的枠組み

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13667 (2023) この記事を引用

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インド・ガンジス平原 (IGP) は毎年冬に深刻な大気汚染に見舞われており、微細エアロゾルの主な無機成分は塩化アンモニウムと硝酸アンモニウムです。 IGP における大気汚染に取り組む過去の多くの試みは、粒子状物質負荷の大部分が本質的に二次的なものである環境において、一次汚染物質の一部を対象としたものであったため、不十分でした。 ここでは、ISORROPIA-II 熱力学モデルと前駆体ガスとエアロゾルの高解像度同時測定を統合することにより、エアロゾル緩和に関する新しい機構的洞察を提供します。 塩酸 (HCl)、窒素酸化物 (NOx)、アンモニア (NH3)、およびエアロゾル液体水分含有量 (ALWC) の間の複雑な相互作用を調査するために、数学的枠組みが探索されます。 エアロゾルの酸性度 (pH) と ALWC は、微細エアロゾルのガスと粒子の相分配と質量負荷を調節する支配因子として浮上します。 6 つの「感受性領域」が定義され、PM1 と PM2.5 は「HCl および HNO3 感受性領域」に分類され、HCl と HNO3 の削減が、アンモニアが豊富な IGP におけるエアロゾル緩和の最も効果的な経路であることを強調しました。冬。 この研究は、エアロゾル緩和のための前駆物質の削減は、その質量濃度の降下ではなく、高いエアロゾル負荷に対する感受性に基づくべきであるという証拠を提供する。

大量のエアロゾル負荷は、世界中で何百万人もの早期死亡の重大な原因となっており、大気汚染の緩和は世界中の研究者にとって大きな懸念事項となっています 1,2。 ただし、高濃度のエアロゾル負荷を規制または軽減するには、それを測定、監視、および徹底的に調査する必要があります。 多大な努力にもかかわらず、大気成分の物理的、化学的、熱力学的特性の理解は、エアロゾル緩和を正確かつ最適に行える段階にはまだ達していません3,4,5,6。 エアロゾルの特性は生態系、人間の健康、環境に重大な影響を与えるため、エアロゾルの特性をより深く理解する必要性が高まっています。

インド・ガンジス平原 (IGP) は世界で最も汚染された地域の 1 つです7、8、9、10。 PM1 と PM2.5 の質量負荷は、特に交通ラッシュの時間帯や冬の夜間に、短期間 (数時間) に 400 ～ 600 µg m-3 を超えることがよくあります 11,12。 研究によると、有機画分は一般に世界中の PM1 質量の 50% 以上を占めており、微細エアロゾルの無機画分は硫酸塩、硝酸塩、アンモニウム (SNA) で構成されています 13、14、15、16。 しかし、対照的に、汚染のピーク時に総エアロゾル負荷量の半分以上が本質的に無機物であることを示した研究はほとんどなく（表S1）、対照的な大気条件における大気成分の物理化学的および熱力学的特性の役割を調査する必要性を指摘している。 例えば、Gani et al.17 は、2018 年 1 月の汚染ピーク期間中に、無機画分がデリーの PM1 総質量負荷のほぼ 60% に寄与していたことを示しました。 これらの無機エアロゾルは主に塩化物、硫酸塩、硝酸塩、アンモニウム (CSNA) で構成されています18,19。

観測された 1 時間あたりの塩化物濃度は 100 μg m-3 を何度も超えており、世界中で報告されている中で最も高いものの 1 つであると考えられています 20。 気相アンモニア (NH3) も非常に高いことがわかり、冬季の二次エアロゾル形成に大きな影響を与えます。 最近のいくつかの研究では、中国、米国、ヨーロッパで前駆体ガスの減少に対するエアロゾルの感受性が調査されています4が、インドで行われた研究はまだ実施されていません。 IGP におけるエアロゾル負荷の効果的な規制についての科学的理解を向上させるには、広範な努力が必要です。

この研究では、ISORROPIA-II 熱力学平衡モデルを前駆体ガス (HCl、HNO3、NH3) および無機成分 (Cl-、NO3-、SO42) のデータセットと統合することにより、エアロゾルの形成と緩和に関する新しい機構的洞察を提供することを目的としています。 IGP における MARGA-2S 機器の最初の展開を使用して取得された PM1 および PM2.5 の -、Na+、NH4+、K+、Ca2+、および Mg2+）（補足テキスト S1）。 私たちは、エアロゾルのシグモイド曲線と「感度領域」を使用して、ガス状前駆体濃度 (HCl、HNO3、NH3)、pH、ALWC などのさまざまなパラメーターに対するエアロゾルのガスと粒子の分配の感度を調査するための数学的枠組みを探索します。 私たちの知る限り、これはインド地域におけるエアロゾルの熱力学的制御を調査する初めての試みであり、この研究で進められた「熱力学的ロードマップ」はIGPにおける効果的で的を絞った緩和戦略を提供する可能性がある。