Impatti marcati delle condizioni transitorie sulla potenziale produzione di aerosol organico secondario durante la rapida ossidazione degli scarichi di benzina

npj Climate and Atmospheric Science volume 6, numero articolo: 59 (2023) Citare questo articolo

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Le emissioni dei veicoli rappresentano una delle principali fonti di aerosol organici secondari atmosferici (SOA). Le condizioni di guida sono un fattore d'influenza critico per la produzione della SOA veicolare, ma pochi studi hanno rivelato la dipendenza dai rapidi cambiamenti delle condizioni di guida nel mondo reale. Qui, un sistema di reattore a flusso di ossidazione a risposta rapida viene sviluppato e utilizzato per quantificare il potenziale di formazione di SOA in condizioni di guida transitorie. I risultati mostrano che il fattore di produzione della SOA varia per ordini di grandezza, ad esempio 20–1500 mg kg-carburante-1 e 12-155 mg kg-carburante-1 rispettivamente per i veicoli China V e China VI. È stato riscontrato che l'alta velocità, l'accelerazione e la decelerazione promuovono notevolmente la produzione di SOA a causa delle maggiori emissioni gassose organiche causate dall'emissione di carburante incombusto o dalla combustione incompleta. Inoltre, i veicoli China VI riducono significativamente il potenziale di formazione della SOA, la resa e i picchi di accelerazione e decelerazione. Il nostro studio fornisce informazioni sperimentali e parametrizzazione sulla formazione della SOA veicolare in condizioni di guida transitorie, che andrebbero a vantaggio delle simulazioni SOA ad alta risoluzione temporale nell'atmosfera urbana.

Le emissioni dei veicoli contribuiscono in misura significativa al particolato atmosferico (PM), influenzando la visibilità atmosferica, la salute umana e il clima globale1,2,3. I veicoli emettono sia aerosol primari contenenti nerofumo e aerosol organico primario (POA), sia composti organici gassosi, come composti organici volatili (COV) e COV semi/intermedi (S/IVOC), che possono essere convertiti in aerosol organici secondari (SOA) ) attraverso l'ossidazione atmosferica4,5,6. Misurazioni recenti hanno dimostrato che la formazione di SOA dagli scarichi dei veicoli a benzina nelle aree urbane ha contribuito in modo dominante alla massa di aerosol organico, superando di gran lunga il contributo di POA7,8.

La stima del contributo dei gas di scarico dei veicoli alla SOA atmosferica coinvolge tipicamente i precursori identificati come gli aromatici a singolo anello, l'isoprene e gli n-alcani9. Tuttavia, queste specie di COV spiegano solo una frazione relativamente piccola della massa di SOA misurata in precedenti studi di laboratorio10,11. Una vasta formazione di SOA è dovuta alla complessa miscela irrisolta di vapori organici nello scarico del veicolo12,13,14. Inoltre, gli studi di parametrizzazione o modellizzazione della produzione di SOA veicolare mancano di report15. Il contributo delle emissioni dei veicoli al carico di SOA atmosferico rimane incerto16,17.

Diversi fattori influenzano la formazione della SOA dagli scarichi dei veicoli, come i tipi di carburante, la tecnologia del motore, gli standard sulle emissioni e le condizioni operative. Tra tutti i fattori che influenzano, è stato segnalato che le condizioni operative svolgono un ruolo cruciale nella produzione di SOA veicolare poiché le emissioni di gas organici variano notevolmente con i cambiamenti di guida del veicolo18. Ad esempio, una simulazione fotochimica in situ ha rivelato che la produzione SOA di gas di scarico dei veicoli a benzina al minimo era circa 20 volte superiore a quella della guida a velocità di crociera19. Inoltre, una recente misurazione online dei COV non metanici nelle emissioni di scarico ha mostrato che la composizione dei vapori organici cambia rapidamente con le condizioni di guida transitorie20. Pertanto, le condizioni di guida dei veicoli in rapido cambiamento possono portare ad un’ampia variazione nella produzione di SOA in tempi brevi. Tuttavia, la maggior parte degli studi precedenti si concentravano sulle influenze delle diverse condizioni di crociera o dei cicli di guida, invece che sulle condizioni transitorie, sulla produzione di SOA dagli scarichi dei veicoli19,21,22,23. Poche ricerche precedenti hanno quantificato con successo gli impatti delle condizioni transitorie, in parte perché la simulazione sperimentale della rapida ossidazione degli scarichi dei veicoli è impegnativa.

La simulazione del reattore a flusso di ossidazione (OFR), che può ottenere il potenziale SOA in pochi minuti sotto un elevato livello di ossidanti (in particolare il radicale idrossile, OH), offre l'opportunità di studiare i precursori della SOA che reagiscono rapidamente24,25. Ad esempio, un reattore a flusso ampiamente adottato, la camera di massa di aerosol potenziale (PAM), è stato sviluppato e utilizzato nelle misurazioni della fotoossidazione. Tuttavia, è difficile per PAM caratterizzare i rapidi cambiamenti dei precursori gassosi a causa dell'ampia distribuzione del tempo di residenza di oltre 100 s26,27. Sebbene alcuni studi recenti abbiano migliorato la risoluzione temporale dell’ossidazione dei precursori organici accorciando la lunghezza dell’OFR, la valutazione mirata e parametrica della produzione di SOA in condizioni di guida transitorie non è stata ancora quantificata28,29.