DOI: https://doi.org/10.5194/acp-25-15835-2025
تاريخ النشر: 2025-11-18
المؤلف: Maria Georgopoulou وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار تسلسل الأكسدة اليومية على تشكيل وإمكانات الأكسدة للهباء العضوي (OA) الناتج عن حرق الكتلة الحيوية المنزلية، وتحديداً خشب الزيتون. باستخدام غرفة محاكاة الغلاف الجوي FORTH، قارن البحث بين دورات الأكسدة التي بدأت خلال النهار (الأول نهاراً، DN) وفي الليل (الأول ليلاً، ND). أشارت النتائج إلى أن كلا الدورتين أدت إلى زيادات كبيرة في مستويات OA (35%-90%) ونسب أكسجين إلى كربون (O:C) نهائية مماثلة، مما يشير إلى أن مسارات الأكسدة المختلفة يمكن أن تنتج منتجات هباء عضوي ثانوي (bbSOA) من حرق الكتلة الحيوية متشابهة. وجدت الدراسة أن دورة DN تفضل الأكسدة السريعة، مما يؤدي إلى زيادة إمكانات الأكسدة القابلة للذوبان في الماء خلال النهار (WS-OP) بسبب تكوين الأنواع التفاعلية، بينما تراكمت دورة ND وسائط مؤكسدة معتدلة تحولت خلال النهار.
تسلط النتائج الضوء على أن الانبعاثات التي تطلق في أوقات مختلفة من اليوم يمكن أن تساهم بشكل متغير في سمية الهواء المحلية، متأثرة بتوافر المؤكسدات والنشاط الضوئي الكيميائي. ومن الجدير بالذكر أن WS-OP زادت بنسبة 53% في دورة DN و66% في دورة ND، مع كون القيم النهائية متشابهة إحصائياً، مما يشير إلى ميل نحو نقاط نهاية كيميائية مماثلة على الرغم من اختلاف ظروف الأكسدة. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى نهج زمني في تقييم الآثار البيئية والصحية لانبعاثات حرق الكتلة الحيوية، فضلاً عن أهمية النظر في كل من المكونات القابلة للذوبان وغير القابلة للذوبان في تقييم تفاعل الهباء الكلي. تشمل القيود الظروف التجريبية المسيطر عليها، التي قد لا تعكس بالكامل السيناريوهات الواقعية، والتركيز على دورة يومية واحدة، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم المعالجة الجوية طويلة الأمد لـ bbOA.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الزيادة المتزايدة في حرق الكتلة الحيوية للتدفئة المنزلية، والتي أصبحت مساهمًا كبيرًا في التلوث الحضري والإقليمي على مدى العقدين الماضيين. يقود هذا الاتجاه بشكل كبير ارتفاع تكاليف الطاقة والتحول بعيدًا عن الوقود الأحفوري، حيث تمثل الكتلة الحيوية الصلبة حوالي 45% من إجمالي إمدادات الطاقة الحيوية في الاتحاد الأوروبي، منها 40% مخصصة للتدفئة المنزلية. تصاعدت المخاوف بشأن جودة الهواء وصحة الإنسان بسبب الانبعاثات الناتجة عن حرق الكتلة الحيوية، والتي تشمل مزيجًا معقدًا من الجسيمات والغازات مثل أول أكسيد الكربون، والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات المسرطنة (PAHs).
تؤكد الورقة على التباين في ملفات الانبعاثات المتأثرة بعوامل مثل نوع الوقود، وظروف الاحتراق، ونوع الجهاز. تناقش التحولات الكيميائية التي تمر بها انبعاثات حرق الكتلة الحيوية، خاصة خلال عمليات الأكسدة النهارية والليلية، والتي تغير بشكل كبير تركيبتها وتفاعلها. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تهدف إلى التحقيق في آثار دورات الأكسدة المتسلسلة—النهارية تليها الليلية والعكس—على التطور الكيميائي وإمكانات الأكسدة (OP) للهباء الناتج عن حرق الكتلة الحيوية. تسعى البحث إلى سد الفجوات المعرفية الحرجة بشأن كيفية تأثير هذه التسلسلات الأكسدية على سمية الهباء ونتائج الصحة، باستخدام تجارب غرفة محكومة لمحاكاة الظروف اليومية الواقعية.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت منهجية تحليل البيانات عبر الإنترنت عدة خطوات رئيسية لتوصيف ظروف الاحتراق وتحليل خصائص الهباء. تم حساب كفاءة الاحتراق المعدلة (MCE) كنسبة من ثاني أكسيد الكربون (CO₂) إلى مجموع CO₂ وأول أكسيد الكربون (CO)، وفقًا للنهج الذي قدمه Yokelson وآخرون (1996). تم معالجة بيانات مطيافية الكتلة لله aerosol عالية الدقة (HR-ToF-AMS) باستخدام حزم البرمجيات SQUIRREL وPIKA، مع تقدير نسب الأكسجين إلى الكربون (O:C) وفقًا لـ Canagaratna وآخرون (2015). تم تحديد كفاءة جمع الهباء وكثافة الهباء العضوي (OA) باستخدام الخوارزمية من Kostenidou وآخرون (2007)، مع دمج توزيعات الحجم من جهاز قياس حركة الجسيمات المتنقل (SMPS) وتوزيعات الكتلة من AMS.
لتمييز بين الهباء العضوي الأولي (bbPOA) والثانوي (bbSOA)، تم استخدام المنهجية المقترحة من Jorga وآخرون (2020)، مع مقارنة الأطياف الكتلية الكمية باستخدام زاوية ثيتا (θ) كما هو موضح من قبل Kostenidou وآخرون (2009). تشير قيمة θ أقل من 10° إلى تشابه عالٍ بين الأطياف الطازجة والقديمة، بينما تشير القيم فوق 25° إلى اختلافات كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس نترات العضوية الجسيمية (ON) باستخدام الطريقة من Kiendler-Scharr وآخرون (2016). تم قياس مستويات المركبات العضوية المتطايرة (VOC) الخلفية باستخدام مطيافية الكتلة لتفاعل نقل البروتون (PTR-MS)، على الرغم من عدم توفر بيانات لبعض التجارب. تم تقدير متوسط تركيز الجذور الهيدروكسيلية (OH) بناءً على الانخفاض في تركيز البوتانول البروتوني، باستخدام معامل معدل التفاعل قدره \(3.4 \times 10^{-12} \, \text{cm}^3 \, \text{molec}^{-1} \, \text{s}^{-1}\) عند 295 كلفن (Allani وآخرون، 2021).
النتائج
تشير النتائج من تجارب DN الجافة (الليل المظلم) وND (نهار الليل) إلى أن متوسط إنتاج الهباء العضوي (OA)، بما في ذلك نترات العضوية، كان 51 ± 22 ميكروغرام م$^{-3}$، مع نطاق من 19 إلى 136 ميكروغرام م$^{-3}$. يمثل هذا زيادة إجمالية في كتلة OA تتراوح بين 35% إلى 91% مقارنة بـ OA الطازج، والتي تحدث بشكل رئيسي خلال المرحلة الأولية من الأكسدة بسبب توافر المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) السابقة. ومن الجدير بالذكر أن التجارب ND7 وND8 لم تظهر اختلافات كبيرة في إنتاج OA مقارنة بالتجارب الأخرى، مما يشير إلى أن تركيبة انبعاثات الخشب الطازج من حطب الصنوبر كان لها تأثير أقل على إنتاج الهباء العضوي الثانوي (SOA) من ظروف الأكسدة. بينما أظهرت بعض تجارب ND، مثل ND1 وND5، إنتاجًا أعلى من SOA مرتبطًا بارتفاع تركيزات OA الأولية ومستويات الأوزون، لم تؤكد التحليلات الإحصائية وجود اتجاه عام يفضل دورة ND على دورة DN لإنتاج SOA.
زادت كثافة الهباء القديم من 1.17 إلى 1.33 غرام سم$^{-3}$، مما يعكس زيادة بنسبة 13%، بينما زادت نسبة الأكسجين إلى الكربون (O:C) بشكل كبير خلال كلا دورتي الأكسدة، حيث أظهرت دورة DN زيادة بنسبة 56% ودورة ND زيادة بنسبة 54%. كشفت التغييرات في أطياف كتلة OA عن تحولات مميزة، خاصة في قيم m/z، مما يشير إلى تأثيرات تقدم الشيخوخة. أشارت المقارنات بين الأطياف النهائية من كلا الدورتين إلى OA المؤكسد المقاس في اليونان، مما يوحي بأن SOA المنتجة في الغرفة تشبه عن كثب عوامل الهباء العضوي الأقل أكسدة، مما يعني أن التجارب محاكات مراحل الشيخوخة الجوية المبكرة. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت انخفاضات كبيرة في مختلف المركبات العضوية المتطايرة، إلى جانب زيادات في الألدهيدات والأحماض الكربوكسيلية، مما يبرز التحولات الكيميائية المعقدة التي تحدث خلال عمليات الشيخوخة.
مناقشة
في هذا القسم، يصف المؤلفون إعداد التجربة والنتائج من تجارب غرفة محاكاة الغلاف الجوي التي أجريت لتحليل شيخوخة انبعاثات حرق الكتلة الحيوية، وتحديداً من خشب الزيتون. أجريت التجارب في منشأة FORTH-ASC في اليونان، باستخدام غرفة تيفلون لمحاكاة الظروف الجوية. تم توليد الانبعاثات الطازجة من موقد خشبي يحرق جذوع الزيتون، مع عملية تخفيف محكومة لضمان استقرار الظروف التجريبية. تم تصنيف تجارب الشيخوخة إلى دورات من النهار إلى الليل (DN) ومن الليل إلى النهار (ND)، مع مستويات رطوبة نسبية (RH) متغيرة للحفاظ على سلامة الأبخرة والجزئيات العضوية. أشارت النتائج إلى أن تركيز PM1 الأولي للانبعاثات الطازجة تراوح بين 47 إلى 177 ميكروغرام م⁻³، مع كون الهباء العضوي (OA) يشكل حوالي 95% من إجمالي الكتلة.
استكشفت الدراسة أيضًا تأثير استخدام حطب الصنوبر بجانب خشب الزيتون، مما أدى إلى زيادة تركيزات الكربون الأسود (BC) بسبب خصائص الاحتراق المميزة للصنوبر. تم قياس متوسط إمكانات الأكسدة القابلة للذوبان في الماء (WS-OP) لانبعاثات خشب الزيتون الطازجة عند 42.9 ± 16.1 pmol min⁻¹ µg⁻¹، وهو ما يتماشى مع النتائج السابقة في الأدبيات. خلال تجارب الشيخوخة DN، لوحظت تغييرات كبيرة في التركيب الكيميائي للانبعاثات، بما في ذلك زيادة في نسبة O:C وارتفاع ملحوظ في WS-OP بنسبة 51% بعد المعالجة الضوئية الكيميائية. تسلط النتائج الضوء على التفاعلات المعقدة بين انبعاثات حرق الكتلة الحيوية وعمليات الشيخوخة الجوية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث في الآثار على جودة الهواء والصحة.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-25-15835-2025
Publication Date: 2025-11-18
Author(s): Maria Georgopoulou et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This study investigates the effects of diurnal oxidation sequences on the formation and oxidative potential of organic aerosols (OA) from residential biomass burning, specifically olive wood. Using the FORTH atmospheric simulation chamber, the research compared oxidation cycles initiated during the day (daytime-first, DN) and at night (nighttime-first, ND). Results indicated that both cycles led to significant increases in OA levels (35%-90%) and similar final oxygen-to-carbon (O:C) ratios, suggesting that different oxidation pathways can produce comparable aged biomass burning secondary organic aerosol (bbSOA) products. The study found that the DN cycle favored rapid oxidation, resulting in a higher daytime water-soluble oxidative potential (WS-OP) due to the formation of reactive species, while the ND cycle accumulated moderately oxidized intermediates that transformed during the day.
The findings highlight that emissions released at different times of day can contribute variably to local air toxicity, influenced by oxidant availability and photochemical activity. Notably, the WS-OP increased by 53% in the DN cycle and 66% in the ND cycle, with final values being statistically similar, indicating a tendency toward similar chemical endpoints despite differing oxidation conditions. The study emphasizes the need for time-resolved approaches in assessing the environmental and health impacts of biomass burning emissions, as well as the importance of considering both soluble and insoluble components in evaluating total aerosol reactivity. Limitations include the controlled experimental conditions, which may not fully replicate real-world scenarios, and the focus on a single diurnal cycle, suggesting that further research is needed to understand the long-term atmospheric processing of bbOA.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the increasing prevalence of biomass burning for residential heating, which has become a significant contributor to urban and regional pollution over the past two decades. This trend is largely driven by rising energy costs and a shift away from fossil fuels, with solid biomass accounting for approximately 45% of the total bioenergy supply in the EU, of which 40% is dedicated to residential heating. Concerns regarding air quality and human health have escalated due to the emissions from biomass burning, which include a complex mixture of particulate matter and gases such as carbon monoxide, volatile organic compounds (VOCs), and carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).
The paper emphasizes the variability in emission profiles influenced by factors such as fuel type, combustion conditions, and appliance type. It discusses the chemical transformations that biomass burning emissions undergo, particularly during daytime and nighttime oxidation processes, which significantly alter their composition and reactivity. Notably, the study aims to investigate the effects of sequential oxidation cycles—daytime followed by nighttime and vice versa—on the chemical evolution and oxidative potential (OP) of biomass burning aerosols. The research seeks to fill critical knowledge gaps regarding how these oxidation sequences impact aerosol toxicity and health outcomes, utilizing controlled chamber experiments to simulate realistic diurnal conditions.
Methods
In this study, the methodology for online data analysis involved several key steps to characterize combustion conditions and analyze aerosol properties. The modified combustion efficiency (MCE) was calculated as the ratio of carbon dioxide (CO₂) to the sum of CO₂ and carbon monoxide (CO), following the approach by Yokelson et al. (1996). High-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometry (HR-ToF-AMS) data were processed using the SQUIRREL and PIKA software packages, with elemental oxygen-to-carbon (O:C) ratios estimated as per Canagaratna et al. (2015). The aerosol collection efficiency and organic aerosol (OA) density were determined using the algorithm from Kostenidou et al. (2007), integrating size distributions from scanning mobility particle sizer (SMPS) and mass distributions from AMS.
To differentiate between primary (bbPOA) and secondary (bbSOA) organic aerosol, the methodology proposed by Jorga et al. (2020) was employed, with mass spectra comparisons quantified using the theta angle (θ) as described by Kostenidou et al. (2009). A θ value less than 10° indicated high similarity between fresh and aged spectra, while values above 25° suggested significant differences. Additionally, particulate organic nitrate (ON) was quantified using the method from Kiendler-Scharr et al. (2016). Background volatile organic compound (VOC) levels were measured with proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS), although data for certain experiments were unavailable. The average hydroxyl (OH) radical concentration was estimated based on the decline in the concentration of protonated d₉-butanol, using a reaction rate coefficient of \(3.4 \times 10^{-12} \, \text{cm}^3 \, \text{molec}^{-1} \, \text{s}^{-1}\) at 295 K (Allani et al., 2021).
Results
The results from the dry DN (dark night) and ND (night day) experiments indicate that the average organic aerosol (OA) production, including organic nitrate, was 51 ± 22 µg m$^{-3}$, with a range of 19 to 136 µg m$^{-3}$. This represents a total OA mass increase of 35% to 91% compared to fresh OA, predominantly occurring during the initial oxidation stage due to higher precursor volatile organic compounds (VOCs) availability. Notably, experiments ND7 and ND8 showed no significant differences in OA production compared to other experiments, suggesting that the composition of fresh wood emissions from pine kindling had a lesser impact on secondary organic aerosol (SOA) production than oxidation conditions. While some ND experiments, such as ND1 and ND5, exhibited higher SOA production linked to elevated initial OA concentrations and ozone levels, statistical analysis did not confirm a general trend favoring the ND cycle over the DN cycle for SOA production.
The density of aged aerosols increased from 1.17 to 1.33 g cm$^{-3}$, reflecting a 13% rise, while the average oxygen-to-carbon (O:C) ratio increased significantly during both oxidation cycles, with the DN cycle showing a 56% increase and the ND cycle a 54% increase. The changes in OA mass spectra revealed distinct shifts, particularly in m/z values, indicating progressive aging effects. Comparisons of the final spectra from both cycles to oxidized OA measured in Greece suggested that the chamber-produced SOA closely resembled less-oxidized organic aerosol factors, implying that the experiments simulated earlier atmospheric aging stages. Additionally, significant decreases in various VOCs were observed, alongside increases in aldehydes and carboxylic acids, highlighting the complex chemical transformations occurring during the aging processes.
Discussion
In this section, the authors describe the experimental setup and findings from atmospheric simulation chamber experiments conducted to analyze the aging of biomass burning emissions, specifically from olive wood. The experiments took place at the FORTH-ASC facility in Greece, utilizing a Teflon chamber to simulate atmospheric conditions. Fresh emissions were generated from a wood stove burning olive wood logs, with a controlled dilution process to ensure stable experimental conditions. The aging experiments were categorized into day-to-night (DN) and night-to-day (ND) cycles, with varying relative humidity (RH) levels to maintain the integrity of the organic vapors and particles. The results indicated that the initial PM1 concentration of fresh emissions ranged from 47 to 177 µg m⁻³, with organic aerosol (OA) constituting approximately 95% of the total mass.
The study also explored the impact of using pine kindling alongside olive wood, which resulted in higher black carbon (BC) concentrations due to the distinct combustion properties of pine. The average water-soluble oxidative potential (WS-OP) of fresh olive wood emissions was measured at 42.9 ± 16.1 pmol min⁻¹ µg⁻¹, comparable to previous findings in the literature. During the DN aging experiments, significant changes were observed in the chemical composition of the emissions, including an increase in the O:C ratio and a notable rise in WS-OP by 51% after photochemical processing. The findings highlight the complex interactions between biomass burning emissions and atmospheric aging processes, emphasizing the need for further research into the implications for air quality and health.