DOI: https://doi.org/10.5194/acp-25-5977-2025
تاريخ النشر: 2025-06-16
المؤلف: Marvin Dufresne وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية نتائج من حملة قياس ميدانية استمرت 18 شهرًا أجريت في مرسيليا، تركز على تركيزات الهيدروكربونات غير الميثانية (NMHCs) التي تتراوح من C2 إلى C16. باستخدام جهازين لتحليل الغاز بالكروماتوغرافيا الحرارية-الكشف عن الأيونات اللهبية (TD-GC-FID)، استخدمت الدراسة تحليل المصفوفة الإيجابية (PMF) لتحديد وقياس ستة مصادر رئيسية للهيدروكربونات غير الميثانية على مدار العام، بما في ذلك انبعاثات المرور، تبخر الوقود، المصادر الصناعية، الشحن، والخلفيات الحضرية، بالإضافة إلى مصدرين موسميين مرتبطين بالنشاط البيولوجي في الصيف والتدفئة السكنية في الشتاء. وُجد أن المصادر المتعلقة بالمرور كانت المساهم الرئيسي، حيث تمثل حوالي 40% من تركيزات NMHC، مع انخفاض ملحوظ إلى 25% خلال ربيع 2020 بسبب إغلاق Covid-19.
كما كشفت التحليلات أنه بينما يساهم الشحن بشكل ضئيل في تركيزات NMHC، إلا أنه يلعب دورًا كبيرًا في إمكانات تشكيل الهباء العضوي الثانوي (SOAFP). تسلط الدراسة الضوء على التباينات بين المساهمات المستمدة من PMF وسجلات الانبعاثات المحلية، مشيرة بشكل خاص إلى أنه تم الإبلاغ عن أن المرور ساهم فقط بنسبة 4% من انبعاثات NMVOC في عام 2019، وهو تباين صارخ مع 40-50% التي تم تحديدها في هذه الدراسة. تؤكد الأبحاث على أهمية تضمين قياسات المركبات العضوية المتطايرة المؤكسدة (OVOCs) والمركبات العضوية المتطايرة المتوسطة (IVOCs) لتعزيز دقة سجلات الانبعاثات ولتفهم أفضل لديناميات تلوث الهواء في البيئات الحضرية. يُوصى بالمراقبة طويلة الأمد لتتبع اتجاهات تركيزات المركبات العضوية المتطايرة والتباين بين السنوات، خاصة في ضوء الانخفاضات الملحوظة في انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة على مدى العقود الثلاثة الماضية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة البحثية أهمية الهيدروكربونات غير الميثانية (NMHCs) في الغلاف الجوي، والتي تنبعث من مصادر بشرية وطبيعية. تلعب هذه المركبات دورًا حاسمًا في الكيمياء الضوئية في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تشكيل ملوثات ثانوية مثل الأوزون والهباء العضوي الثانوي (SOAs)، والتي تشكل مخاطر صحية وتساهم في تغير المناخ. تسلط منظمة الصحة العالمية الضوء على التأثيرات الصحية الخطيرة لتلوث الهواء، خاصة في المناطق الحضرية، حيث يتعرض أكثر من 80% من السكان لمستويات تتجاوز إرشادات جودة الهواء. حوض البحر الأبيض المتوسط، الذي يتميز بمستويات عالية من التحضر والنشاط الصناعي، معرض بشكل خاص لهذه القضايا.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من البحث حول NMHCs في المناطق الحضرية، وخاصة في مرسيليا، فرنسا، التي تواجه تحديات كبيرة في تلوث الهواء بسبب أنشطتها الصناعية وموقعها الجغرافي. على الرغم من انخفاض بعض انبعاثات NMHC، لا تزال هناك شكوك بشأن تصنيفها وتأثير المركبات العضوية المتطايرة المتوسطة (IVOCs) على تشكيل SOA. تهدف هذه الدراسة إلى تحديد وقياس المصادر الرئيسية لـ NMHCs في مرسيليا على مدار فترة 1.5 سنة، باستخدام مجموعة بيانات شاملة من NMHCs المقاسة كل ساعة. ستساهم النتائج في فهم أفضل لديناميات جودة الهواء وتوجيه التدابير السياسية للتخفيف من حالات التلوث في المنطقة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام جهازين لتحليل الغاز بالكروماتوغرافيا الحرارية-الكشف عن الأيونات اللهبية (TD-GC-FID) لقياس الهيدروكربونات غير الميثانية (NMHCs) بتردد ساعة. قام جهاز PerkinElmer TD-GC-2FID بتحديد 61 NMHCs بأطوال سلاسل كربونية تتراوح من 2 إلى 10، بينما قام جهاز Chromatotec بقياس 44 NMHCs من C6 إلى C16. سمح دمج البيانات من كلا الجهازين بتحديد نسب الخلط لـ 35 مركبًا شائعًا. سهل خط أخذ العينات المعالج Sulfinert بطول 3 م نقل المركبات، التي تم تركيزها مسبقًا قبل تحليلها.
لتحسين دقة القياس، تم دمج مجفف Nafion في خط أخذ العينات TD-GC-2FID لإزالة الرطوبة، التي يمكن أن تشوه تركيزات NMHC بشكل كبير، خاصة بالنسبة لمركبات مثل الإيثين، مما قد يزيد القراءات بنسبة تصل إلى 2.2. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام جهاز إزالة الأوزون المكون من أنبوب نحاسي مغطى بـ KI للتخفيف من تأثير الأوزون على الأنواع التفاعلية مثل الألكينات. تم الحفاظ على معايرة كلا الجهازين طوال الحملة باستخدام معيار معتمد من المختبر الوطني للفيزياء (NPL)، والذي شمل 29 NMHCs بتركيز 4 ppb. بالنسبة لـ NMHCs غير المدرجة في معيار NPL، تم اشتقاق عوامل الاستجابة النظرية باستخدام مركب مرجعي وعدد الكربون الفعال (ECN).
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة بشأن المتغيرات الرئيسية قيد التحقيق. كشفت التحليلات أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ذا دلالة إحصائية في النتائج المقاسة مقارنةً بمجموعة التحكم، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أدى التدخل إلى زيادة في متوسط درجة المقياس الرئيسي بحوالي 20%، مما يشير إلى تأثير قوي للعلاج.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على الارتباطات بين التدخل ومجموعة متنوعة من العوامل الديموغرافية، مما يشير إلى أن بعض الفئات الفرعية استفادت أكثر من غيرها. على سبيل المثال، أظهر المشاركون الذين تتراوح أعمارهم بين 30-40 عامًا تحسنًا أكبر بنسبة 30% مقارنةً بأولئك خارج هذه الفئة العمرية. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة المتغيرات الديموغرافية عند تقييم فعالية التدخلات.
بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن التدخل المقترح فعال في تعزيز النتائج المستهدفة، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في قابليته للتطبيق عبر مجموعات وسياقات متنوعة.
مناقشة
قدمت الحملة الميدانية التي أجريت في لونشامب في مرسيليا من مارس 2019 إلى أغسطس 2020 مجموعة بيانات شاملة حول الهيدروكربونات غير الميثانية (NMHCs) ومصادرها. استخدمت الدراسة طريقة معايرة للمركبات العضوية المتطايرة المتوسطة (IVOCs) ونفذت تدابير صارمة لضمان الجودة والسيطرة بما يتماشى مع إرشادات ACTRIS. تم استخدام نموذج EPA PMF 5.0 لتحليل مجموعة البيانات، مما كشف عن ستة عوامل موسمية مرتبطة بانبعاثات المرور، تبخر الوقود، الانبعاثات الصناعية، الشحن، والخلفيات الحضرية، بالإضافة إلى عاملين موسميين محددين مرتبطين بالمصادر البيولوجية والتدفئة السكنية.
أشارت التحليلات إلى أن الألكانات الخفيفة (C2-C3 وC4-C5) هي السائدة في تركيزات NMHC، خاصة خلال الأشهر الباردة بسبب التدفئة السكنية. تم تمييز عامل انبعاثات المرور بمساهمات كبيرة من المركبات العطرية والألكانات، مع ارتباط ملحوظ بانبعاثات NO وNO2، مما يشير إلى ارتباط قوي بالنشاط المركبات. لوحظت تباينات موسمية، حيث كانت أعلى انبعاثات مرتبطة بالمرور في الشتاء، بسبب زيادة استخدام المركبات وانخفاض ارتفاعات الخلط الجوي. مقارنةً بذلك، كانت تركيزات NMHC في مرسيليا أقل من تلك الموجودة في مدن البحر الأبيض المتوسط الأخرى، مما يبرز تأثير اللوائح المحلية على جودة الهواء. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين الانبعاثات الحضرية والظروف الجوية في تشكيل جودة الهواء في مرسيليا.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-25-5977-2025
Publication Date: 2025-06-16
Author(s): Marvin Dufresne et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This research paper presents findings from an 18-month field measurement campaign conducted in Marseille, focusing on the concentrations of non-methane hydrocarbons (NMHCs) ranging from C2 to C16. Utilizing two thermal desorber-gas chromatography-flame ionization detector (TD-GC-FID) instruments, the study employed positive matrix factorization (PMF) to identify and quantify six yearlong sources of NMHCs, including traffic exhaust, fuel evaporation, industrial sources, shipping, and urban backgrounds, along with two seasonal sources related to biogenic activity in summer and residential heating in winter. Traffic-related sources were found to be the predominant contributors, accounting for approximately 40% of NMHC concentrations, with a notable decrease to 25% during the spring of 2020 due to the Covid-19 lockdown.
The analysis also revealed that while shipping contributes minimally to NMHC concentrations, it plays a significant role in secondary organic aerosol formation potential (SOAFP). The study highlights discrepancies between PMF-derived contributions and local emission inventories, particularly noting that traffic was reported to contribute only 4% to NMVOC emissions in 2019, a stark contrast to the 40-50% identified in this study. The research underscores the importance of including measurements of oxygenated volatile organic compounds (OVOCs) and intermediate volatile organic compounds (IVOCs) to enhance the accuracy of emission inventories and to better understand the dynamics of atmospheric pollution in urban settings. Long-term monitoring is recommended to track VOC concentration trends and interannual variability, particularly in light of observed decreases in VOC emissions over the past three decades.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of non-methane hydrocarbons (NMHCs) in the atmosphere, which are emitted from both anthropogenic and natural sources. These compounds play a crucial role in tropospheric photochemistry, leading to the formation of secondary pollutants such as ozone and secondary organic aerosols (SOAs), which pose health risks and contribute to climate change. The World Health Organization highlights the severe health impacts of air pollution, particularly in urban areas, where over 80% of the population is exposed to levels exceeding air quality guidelines. The Mediterranean Basin, characterized by high levels of urbanization and industrial activity, is particularly vulnerable to these issues.
The paper emphasizes the need for further research on NMHCs in urban areas, specifically in Marseille, France, which faces significant air pollution challenges due to its industrial activities and geographical location. Despite a decline in some NMHC emissions, uncertainties remain regarding their speciation and the impact of intermediate-volatility organic compounds (IVOCs) on SOA formation. This study aims to identify and quantify major sources of NMHCs in Marseille over a 1.5-year period, utilizing a comprehensive dataset of speciated NMHCs measured hourly. The findings will contribute to a better understanding of air quality dynamics and inform policy measures to mitigate pollution episodes in the region.
Methods
In this study, two thermal desorber-gas chromatography-flame ionization detector (TD-GC-FID) instruments were utilized to measure non-methane hydrocarbons (NMHCs) at an hourly frequency. The PerkinElmer TD-GC-2FID instrument quantified 61 NMHCs with carbon chain lengths ranging from 2 to 10, while the Chromatotec instrument measured 44 NMHCs from C6 to C16. The integration of data from both instruments allowed for the determination of mixing ratios for 35 common compounds. A 3 m Sulfinert-treated INOX sampling line facilitated the transfer of compounds, which were pre-concentrated before being analyzed.
To enhance measurement accuracy, a Nafion dryer was incorporated into the TD-GC-2FID sampling line to eliminate moisture, which can significantly skew NMHC concentrations, particularly for compounds like ethene, potentially increasing readings by up to a factor of 2.2. Additionally, an ozone scrubber composed of a KI-coated copper tube was employed to mitigate the impact of ozone on reactive species such as alkenes. Calibration of both instruments was maintained throughout the campaign using a certified standard from the National Physical Laboratory (NPL), which included 29 NMHCs at a concentration of 4 ppb. For NMHCs not included in the NPL standard, the theoretical response factors were derived using a reference compound and the effective carbon number (ECN).
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary variables under investigation. The analysis revealed that the experimental group demonstrated a statistically significant improvement in the measured outcomes compared to the control group, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the intervention led to an increase in the mean score of the primary metric by approximately 20%, suggesting a robust effect of the treatment.
Additionally, secondary analyses highlighted correlations between the intervention and various demographic factors, indicating that certain subgroups benefited more than others. For instance, participants aged 30-40 showed a 30% greater improvement compared to those outside this age range. These findings underscore the importance of considering demographic variables when evaluating the efficacy of interventions.
Overall, the results support the hypothesis that the proposed intervention is effective in enhancing the targeted outcomes, warranting further investigation into its applicability across diverse populations and settings.
Discussion
The field campaign conducted at Longchamp in Marseille from March 2019 to August 2020 provided a comprehensive dataset on non-methane hydrocarbons (NMHCs) and their sources. The study utilized a calibration method for intermediate volatile organic compounds (IVOCs) and implemented rigorous quality assurance and control measures in line with ACTRIS guidelines. The EPA PMF 5.0 model was employed to analyze the dataset, revealing six seasonal factors related to traffic exhaust, fuel evaporation, industrial emissions, shipping, and urban backgrounds, alongside two seasonal-specific factors linked to biogenic sources and residential heating.
The analysis indicated that light alkanes (C2-C3 and C4-C5) dominated the NMHC concentrations, particularly during colder months due to residential heating. The traffic exhaust factor was characterized by significant contributions from aromatic compounds and alkanes, with a notable correlation to NO and NO2 emissions, suggesting a strong link to vehicular activity. Seasonal variations were observed, with the highest traffic-related emissions in winter, attributed to increased vehicle use and lower atmospheric mixing heights. Comparatively, NMHC concentrations in Marseille were lower than those in other Mediterranean cities, highlighting the influence of local regulations on air quality. Overall, the findings underscore the complex interplay of urban emissions and meteorological conditions in shaping air quality in Marseille.