A 15-year climatology of aerosol optical and physical properties and near-real time measurements of water-soluble ions in pm2.5 and their precursor gases in the atmosphere over the eastern mediterranean.

Abstract

Doğu Akdenizin kırsal kıyı bölgesinde konumlandırılmış AERONET güneş/gökyüzü radyometresinden Ocak 2000 ve Aralık 2014 tarihleri arasında elde edilen uzun dönemli aerosol optik ve mikro fiziksel özellikler analiz edildi. Ayrıca, 2015 yaz ve kış dönemlerinde SO42-, NH4+, NO3- (PM2.5 parçacık boyutunda) iyonlarıyla bunların öncül gazlarının derişimlerinin ölçümleri Ambient Ion Monitor-Ion Chromatography (Ortam İyonları İzleme - İyon Kromatografisi) enstrümanıyla nerdeyse gerçek zamanlı olarak gerçekleştirildi. Doğu Avrupa ve Batı Avrupa üzerinden istasyona 1 km ve 4 km irtifada gelen hava akımlarının 2000 ile 2014 yılları arasında yıl başına % 0.2 düşüşle ifade edilen bir negatif eğilim gösterdiği tespit edildi. Buna karşılık olarak, 1 km (4 km) irtifada Kuzey Afrika ve Türkiye üzerinden gelen hava akımlarının çalışma dönemi boyunca sırasıyla senelik % 0.15 (0.40) ve % 0.29 (0.15) artış gösteren bir pozitif eğilim gösterdiği ortaya koyuldu. AOK aritmetik ortalaması 440 nm'den (0.30) 1020 nm'ye (0.12) 2.5 kat azalarak ince parçacıkların baskınlığını gösterdi. AOK ve α değerlerinin kısa dönemli ölçekte büyük bir değişkenlik gösterdiği, günlük değişkenliğin birkaç katı bulduğu tespit edildi. Parçacıkların yağışla yıkanması sebebiyle en düşük AOT değerleri ağırlıklı olarak kışın gözlemlendi. 440 nm'de yüksek AOT değerleri ile düşük α440-870 değerleri, Kuzey Afrika ve Orta Doğu menşeli toz olaylarına bağlı olarak ilkbahar döneminde tespit edildi. 440 nm'de yüksek AOT ve α440-870, gaz-partikül dönüşümü, hareketsiz hava kütleleri ve yağışın olmayışı sebeyile esas olarak yaz döneminde karakterize edildi. Yüksek AOK'ye eşlik eden göreceli olarak düşük α (0.7) ve ince mod fraksiyonu (% 47) hava akışı Kuzey Afrika (SAH) ve Orta Doğu (MID) bölgelerinden kaynaklandığında gözlemlendi. α'nın bir fonksiyonu olarak AOK ile su buharı (SB) arasındaki ilişkiyle ilgili olarak üç aerosol sınıfı tanımlandı, su sevmez (non-higroscopic), orta derecede su sever ve su sevmez (higroscopic). Potansiyel Kaynak Katkı Fonksiyonu (PKKF) su sevmez parçacıkların Kuzey Afrika ve Orta Doğu kökenli mineral tozun baskın olduğu aerosol popülasyonlarıyla ilişkili olduğunu gösterdi. Orta derecede su sever parçacıkların mineral toz ve insan kaynaklı aerosollerin bir karışımı olup, mineral tozun endüstriyel ve yüksek nüfuslu bölgelerin (örneğin, İspanya, Fransa ve İtalya) üzerinden hareket etmesine bağlı olduğu bulundu. Öte yandan, su sever parçacıklar için herhangi bir özel potansiyel kaynak bölgesinin belirlenememesi, ikincil aerosollerin hakim yaz koşulları altında orta ölçekte oluşturulduğunu gösterdi.Kırılma indisinin hayali kısmı, tekil saçılım albedosu ve absorpsiyon angstrom katsayısı toz, karışık köken ve kirlilik olayları için belirgin farklar gösterdi. Kırılma indisinin hayali kısmı toz olayları için 870 ve 1020 nm dalga boyları arasında 2.5 x 10-3 ila 2.0 x 10-3 arasında dalgalanma gösterirken, 675 nm ve 440 nm dalga boyları arasında kırılma indisinin hayali kısmı 4.3 x 10-3 'ten 11.0 x 10-3 'e yükseldi. Benzer spektral davranışlar gözlendiği halde, 440 nm'de kırılma indisinin hayali kısmı karışık kökenli aerosol olayında mineral toz olaylarına göre 2.2 kat daha az bulundu. Kirlilik olaylarında kırılma indisinin imajiner kısmı 1020 nm'de 5.0 x 10-3 'den 440 nm'de 6.3 x 10-3 'e hafif bir artış gösterdi. Aerosol türleri sönümlenme angstrom katsayılarına göre toz, karışık kökenli ve insan kökenli olmak üzere üç gruba ayrıldı. Üç aerosol türünün mikrofiziksel özelliklerinin kıyaslanmasında sönümlenme angstrom katsayısı esas alınarak yapılan aerosol türü sınıflandırmasının yetersiz olduğunu ortaya koydu. Optik özelliklere yığın analizi uygulanarak yapılan aerosol türü sınıflandırması nispeten daha iyi sonuçlar verdi.440 nm'de aerosol optik kalınlık ve kırılma indisinin hayali kısmı Periyot II'de (2005-2009) çöl bölgelerinden kaynaklanan toz olaylarının daha etkili olmasına bağlı olarak Periyot I'e (2000-2004) ve Periyot III'e (2010-2014) kıyasla istatiksel olarak daha yüksek bulundu. PM2.5'da bulunan suda çözünebilir iyonlar arasında sülfat ve amonyumun baskın türler olduğu görüldü. Sülfat ve amonyum derişimlerinin aritmetik ortalaması sırasıyla 2814 ng m-3 ve 1371 µg m-3 olarak tespit edildi. Aerosoldaki nitratın aritmetik ortalaması 495 ng m-3 bulundu. Öncül gazlar arasında amonyak 3330 ng m-3 ile en yüksek derişim gösterdi. Sülfür dioksit ve nitrik asit derişimleri sırasıyla 879 ng m-3 ve 346 ng m-3 bulundu. Sülfat, amonyum ve nitrat gazdan parçacığa dönüşüm oranlarının aritmetik oranlarına ilişkin olarak bu türlerin esas olarak yöresel olmayan kaynaklardan etkilendiği öne sürülebilir. Bu çalışma ve önceki off-line ölçümler dikkate alındığında, sülfat, nitrat ve bunların öncül gazlarının Doğu Akdeniz'de bir azalma eğilimi gösterdiği ortaya konmuştur.

Long-term aerosol optical and micro physical properties obtained from AERONET sun/sky radiometer situated at the rural coastal site of Eastern Mediterranean between January 2000 and December 2014 were analyzed. Moreover, concentrations of SO42-, NH4+, NO3- (in PM2.5) and their precursor gases (SO2, NH3 and HNO3) were measured with a near real-time Ambient Ion Monitor-Ion Chromatography instrument in winter and summer of 2015. Air flow arriving at 1 km and 4 from Eastern Europe and Western Europe showed a negative trend from 2000 to 2014, decreasing about 0.2 % per year. In contrast, air flow arriving at 1 km (4km) from North Africa and Turkey demonstrated a positive trend throughout the study period, increasing 0.15 (0.40) % and 0.29 (0.15) % per year, respectively. The arithmetic mean AOT decreased 2.5 times from 440 nm (0.30) to 1020 nm (0.12), indicating the dominance of fine particles. AOT and α illustrated a large short-term variability, varying up to couple of fold from day to day. The lowest AOT values were chiefly found in winter owing to the removal of particles by rain. Enhanced AOT values at 440 nm were detected in spring with low α440-870 primarily due to mineral dust intrusions from North Africa and the Middle East. High AOT at 440 nm and α440-870 were principally characterized in summer because of high gas-to particle conversion, sluggish air masses and absence of rain. Elevated AOT with relatively lower α (0.7) and fine mode fraction (47 %) were observed when the air flow originated from North Africa (SAH) and the Middle East (MID). Regarding the relationship between AOT and Water Vapor (WV) as a function of α, three classes of aerosol were identified, namely, non-hygroscopic, moderately hygroscopic and hygroscopic. Potential source contribution function (PSCF) exhibited that non-hygroscopic particles were associated with mineral dust dominated aerosol population, originating from North Africa and the Middle East. Moderately hygroscopic particles were a mixture of mineral dust and anthropic aerosols due mainly to arrival of the dust after travelling over industrialized and populated sites (such as Spain, France and Italy). On the other hand, any particular potential source area couldn't be defined for hygroscopic particles, showing nearly mesoscale formation of secondary aerosols under the prevailing summer conditions. Imaginary part of the refractive index, single scattering albedo, absorption angstrom exponent for dust, mixed and pollution events showed distinct difference. The imaginary part of refractive index for dust event fluctuated from 2.5 x 10-3 to 2.0 x 10-3 between 870 and 1020 nm and for wavelengths between 675 nm and 440 nm the imaginary part of refractive index augmented from 4.3 x 10-3 to 11.0 x 10-3. Although similar spectral behavior was observed, the imaginary part of the refractive index at 440 nm for mixed event was 2.2 times lesser than that of mineral dust event. For pollution event, the imaginary part of refractive index slightly increased from 5.0 x 10-3 at 440 nm to 6.3 x 10-3 at 1020 nm. Aerosol type were classified into three groups namely dust, mixed and anthropic according to extinction angstrom exponent. The comparison of the microphysical properties of the three aerosol type revealed that categorization of the aerosol type based on extinction angstrom exponent was insufficient. The classification of aerosol type by applying cluster analysis to optical properties presented relatively better results. The aerosol absorption optical thickness at 440 nm and the imaginary part of the refractive index were statistically larger for Period II (2005-2009) compared to Period I (2000-2004) and III (20010-2014) due to the to the higher influence of dust intrusion from desert areas during Period II. Of the water-soluble ions in PM2.5, sulfate and ammonium were the prevailing species. Arithmetic mean sulfate and ammonium concentrations were respectively 2814 ng m-3 and 1371 µg m-3. Aerosol nitrate arithmetic mean was 495 ng m-3. Among the precursor gases, ammonia exhibited the highest concentration with a value of 3330 ng m-3. Sulfur dioxide and nitric acid concentrations were 879 ng m-3 and 346 ng m-3, respectively. Regarding arithmetic means of gas-to-particle conversion ratios for sulfate (0.62), ammonium (0.38) and nitrate (0.50), it might be suggested that the concentrations of these species were mainly influenced by non-local sources. Taking into account this study and historic off-line measurements, there was a decreasing trend for sulfate, nitrate and their precursor gases in the Eastern Mediterranean