Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles

Atmospheric particles, also known as aerosols, have a significant impact on the quality of the air we breathe, having severe consequences on human health, as well as climate. Air pollution can affect Earth’s energy balance by reflecting or absorbing sunlight and altering cloud formation. Understandi...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Κόρκακας, Ιωάννης
Άλλοι συγγραφείς: Korkakas, Ioannis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24777
id nemertes-10889-24777
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Aethalometers
Thermodenuder
Black carbon
Μαύρος άνθρακας
Αιθαλόμετρα
spellingShingle Aethalometers
Thermodenuder
Black carbon
Μαύρος άνθρακας
Αιθαλόμετρα
Κόρκακας, Ιωάννης
Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
description Atmospheric particles, also known as aerosols, have a significant impact on the quality of the air we breathe, having severe consequences on human health, as well as climate. Air pollution can affect Earth’s energy balance by reflecting or absorbing sunlight and altering cloud formation. Understanding the sources, behavior, and effects of aerosols is crucial for improving air quality and limiting their impact on human health and the environment. Black carbon (BC) nanoparticles, a significant component of atmospheric particulate matter, are an important contributor to climate change due to their ability to absorb solar radiation in the atmosphere. These particles are produced through the incomplete combustion of fossil fuels and biomass burning and are prevalent in areas with high levels of air pollution. BC particles are always coated by organic compounds upon emission and during their presence in the atmosphere they are coated even further, by other inorganics such as sulfates. This coating is enhancing even more the light absorption of the BC particles. In this study, we aim to examine the absorption of solar radiation by BC nanoparticles under various circumstances and the contribution of the coatings formed around BC particles to their optical properties. In order to study these aspects, a method is developed which includes a thermodenuder operating at 400oC for heating the particles connected to an Aethalometer for measuring the particle absorption. The experiments are divided into two categories, in the first one an atmospheric simulation chamber (FORTH-ASC) is used for creating a BC rich atmosphere, originating from biomass burning emissions while in the second category, ambient air is examined. Also, an evaluation of the applicability of this method is performed by comparing the results of these two types of experiments. In the laboratory experiments absorption enhancement up to 80-90% was observed for the freshly emitted particles of olive wood burning. During the chemical aging phase, the light absorption enhancement was reduced. Finally, a strong Brown Carbon presence was observed in the olive wood experiments, a factor that could add complexity to the BC measurements and provide some biased concentration measurements. The BC concentration in the ambient air surrounding the Institute was always below 1 μg m-3 . This caused problems in the measurements and their analysis and as a result, the technique was not able to quantify the absorption enhancement. Improvements are necessary in future efforts.
author2 Korkakas, Ioannis
author_facet Korkakas, Ioannis
Κόρκακας, Ιωάννης
author Κόρκακας, Ιωάννης
author_sort Κόρκακας, Ιωάννης
title Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
title_short Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
title_full Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
title_fullStr Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
title_full_unstemmed Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
title_sort absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24777
work_keys_str_mv AT korkakasiōannēs absorptionofsolarradiationbyatmosphericblackcarbonnanoparticles
AT korkakasiōannēs aporrophēsēēliakēsaktinoboliasapoatmosphairikananosōmatidiamaurouanthraka
_version_ 1771297254377783296
spelling nemertes-10889-247772023-03-11T04:37:26Z Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles Απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας από ατμοσφαιρικά νανοσωματίδια μαύρου άνθρακα Κόρκακας, Ιωάννης Korkakas, Ioannis Aethalometers Thermodenuder Black carbon Μαύρος άνθρακας Αιθαλόμετρα Atmospheric particles, also known as aerosols, have a significant impact on the quality of the air we breathe, having severe consequences on human health, as well as climate. Air pollution can affect Earth’s energy balance by reflecting or absorbing sunlight and altering cloud formation. Understanding the sources, behavior, and effects of aerosols is crucial for improving air quality and limiting their impact on human health and the environment. Black carbon (BC) nanoparticles, a significant component of atmospheric particulate matter, are an important contributor to climate change due to their ability to absorb solar radiation in the atmosphere. These particles are produced through the incomplete combustion of fossil fuels and biomass burning and are prevalent in areas with high levels of air pollution. BC particles are always coated by organic compounds upon emission and during their presence in the atmosphere they are coated even further, by other inorganics such as sulfates. This coating is enhancing even more the light absorption of the BC particles. In this study, we aim to examine the absorption of solar radiation by BC nanoparticles under various circumstances and the contribution of the coatings formed around BC particles to their optical properties. In order to study these aspects, a method is developed which includes a thermodenuder operating at 400oC for heating the particles connected to an Aethalometer for measuring the particle absorption. The experiments are divided into two categories, in the first one an atmospheric simulation chamber (FORTH-ASC) is used for creating a BC rich atmosphere, originating from biomass burning emissions while in the second category, ambient air is examined. Also, an evaluation of the applicability of this method is performed by comparing the results of these two types of experiments. In the laboratory experiments absorption enhancement up to 80-90% was observed for the freshly emitted particles of olive wood burning. During the chemical aging phase, the light absorption enhancement was reduced. Finally, a strong Brown Carbon presence was observed in the olive wood experiments, a factor that could add complexity to the BC measurements and provide some biased concentration measurements. The BC concentration in the ambient air surrounding the Institute was always below 1 μg m-3 . This caused problems in the measurements and their analysis and as a result, the technique was not able to quantify the absorption enhancement. Improvements are necessary in future efforts. Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια, γνωστά και ως αερολύματα, έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα του αέρα που αναπνέουμε, με σοβαρές συνέπειες για την ανθρώπινη υγεία, καθώς και για το κλίμα. Η ατμοσφαιρική ρύπανση μπορεί να επηρεάσει το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης αντανακλώντας ή απορροφώντας το ηλιακό φως και μεταβάλλοντας το σχηματισμό των νεφών. Η κατανόηση των πηγών, της συμπεριφοράς και των επιπτώσεων των αερολυμάτων αποτελεί πολύ σημαντικό βήμα για την βελτίωση της ποιότητας του αέρα και τον περιορισμό των επιπτώσεών τους στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Τα νανοσωματίδια μαύρου άνθρακα (BC), αποτελούν σημαντικό συστατικό του ατμοσφαιρικού αερολύματος και συμβάλλουν σημαντικά στην κλιματική αλλαγή λόγω της ικανότητάς τους να απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα. Τα σωματίδια αυτά παράγονται από την ατελή καύση ορυκτών καυσίμων και την καύση βιομάζας και εμφανίζουν υψηλές συγκεντρώσεις σε περιοχές με ιδιαίτερα επιβαρυμένη ανθρώπινη δραστηριότητα. Τα σωματίδια BC επικαλύπτονται πάντα από οργανικές ενώσεις κατά την εκπομπή τους και κατά τη διάρκεια της παρουσίας τους στην ατμόσφαιρα επικαλύπτονται περαιτέρω, από άλλες ανόργανες ενώσεις, όπως τα θειικά άλατα. Αυτή η επικάλυψη ενισχύει ακόμη περισσότερο την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα σωματίδια του BC. Στην παρούσα μελέτη, σκοπός μας είναι να εξετάσουμε την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα νανοσωματίδια BC κάτω από διάφορες συνθήκες και τη συνεισφορά των επικαλύψεων που σχηματίζονται γύρω από τα σωματίδια BC στις οπτικές τους ιδιότητες. Προκειμένου κάτι τέτοιο να επιτευχθεί, αναπτύχθηκε μια μέθοδος που περιλαμβάνει ένα thermodenuder που λειτουργεί στους 400οC για τη θέρμανση των σωματιδίων ο οποίος ήταν συνδεδεμένος με ένα Αιθαλόμετρο για τη μέτρηση της απορρόφησης των σωματιδίων. Τα πειράματα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, στην πρώτη χρησιμοποιείται ο θάλαμος ατμοσφαιρικής προσομοίωσης (FORTH-ASC) για τη δημιουργία μιας πλούσιας σε νανοσωματίδια BC ατμόσφαιρας, προερχόμενης από εκπομπές καύσης βιομάζας, ενώ στη δεύτερη κατηγορία εξετάζεται ο αέρας του περιβάλλοντος. Επίσης, μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων των δύο αυτών τύπων πειραμάτων γίνεται αξιολόγηση της εφαρμοσιμότητας της μεθόδου στον ατμοσφαιρικό αέρα. Στα εργαστηριακά πειράματα παρατηρήθηκε ενίσχυση της απορρόφησης έως και 80-90% στα φρεσκοεκπεμπόμενα σωματίδια από την καύση του ξύλου ελιάς. Κατά τη φάση της χημικής 4 γήρανσης, η ενίσχυση της απορρόφησης του φωτός παρουσίασε μείωση. Τέλος, παρατηρήθηκε έντονη παρουσία καφέ άνθρακα (BrC) στα πειράματα με το ξύλο ελιάς, ένας παράγοντας που θα μπορούσε να κάνει πιο πολύπλοκες μετρήσεις του BC και να προκαλέσει κάποιες παρεμβολές μετρήσεις συγκέντρωσης. Η συγκέντρωση BC στον ατμοσφαιρικό αέρα γύρω από το Ινστιτούτο βρισκόταν διαρκώς κάτω από 1 μg m-3 . Αυτό το γεγονός προκάλεσε προβλήματα στις μετρήσεις και την ανάλυσή τους, με αποτέλεσμα η τεχνική να μην είναι σε θέση να ποσοτικοποιήσει ορθά την ενίσχυση της απορρόφησης στα πειράματα αυτού του τύπου. Συνεπώς, απαιτούνται βελτιώσεις σε μελλοντικές προσπάθειες εφαρμογής αυτής της τεχνικής. 2023-03-10T10:36:08Z 2023-03-10T10:36:08Z 2023-08-08 https://hdl.handle.net/10889/24777 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf