Cadre thermodynamique pour une atténuation efficace des charges élevées d'aérosols dans l'Indo

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13667 (2023) Citer cet article

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La plaine indo-gangétique (IGP) connaît chaque hiver une grave pollution atmosphérique, le chlorure d’ammonium et le nitrate d’ammonium étant les principales fractions inorganiques des aérosols fins. De nombreuses tentatives passées pour lutter contre la pollution atmosphérique dans l’IGP se sont révélées inadéquates, car elles ciblaient un sous-ensemble de polluants primaires dans un environnement où la majorité de la charge de particules est de nature secondaire. Ici, nous fournissons de nouvelles informations mécanistiques sur l’atténuation des aérosols en intégrant le modèle thermodynamique ISORROPIA-II avec des mesures simultanées à haute résolution des gaz précurseurs et des aérosols. Un cadre mathématique est exploré pour étudier l'interaction complexe entre l'acide chlorhydrique (HCl), les oxydes d'azote (NOx), l'ammoniac (NH3) et la teneur en eau liquide des aérosols (ALWC). L'acidité des aérosols (pH) et l'ALWC apparaissent comme des facteurs déterminants qui modulent la répartition de la phase gaz-particules et la charge massique des aérosols fins. Six « régimes de sensibilité » ont été définis, dans lesquels les PM1 et PM2,5 entrent dans le « régime sensible aux HCl et HNO3 », soulignant que les réductions de HCl et de HNO3 seraient la voie la plus efficace pour atténuer les aérosols dans l'IGP, qui est riche en ammoniac pendant hiver. Cette étude fournit la preuve que la réduction des précurseurs pour l'atténuation des aérosols ne devrait pas être basée sur leurs concentrations massiques décroissantes, mais plutôt sur leur sensibilité à une charge élevée d'aérosols.

La charge élevée d’aérosols est une cause importante de millions de décès prématurés dans le monde, et l’atténuation de la pollution atmosphérique est une préoccupation majeure pour les chercheurs du monde entier1,2. Cependant, pour réguler ou atténuer une charge élevée d’aérosols, celle-ci doit être mesurée, surveillée et étudiée de manière approfondie. Malgré des efforts considérables, la compréhension des propriétés physiques, chimiques et thermodynamiques des constituants atmosphériques n'a pas encore atteint un point où l'atténuation des aérosols peut être réalisée avec précision et de manière optimale3,4,5,6. Il existe un besoin croissant de mieux comprendre les propriétés des aérosols, car ils affectent gravement l’écosystème, la santé humaine et l’environnement.

La plaine indo-gangétique (IGP) est l'une des régions les plus polluées au monde7,8,9,10. La charge massique de PM1 et PM2,5 dépasse souvent 400 à 600 µg m−3 à court terme (quelques heures), en particulier pendant les heures de pointe et la nuit en hiver11,12. Des études ont montré que la fraction organique est généralement responsable de plus de 50 % de la masse mondiale de PM1 et que la fraction inorganique des aérosols fins est composée de sulfate, de nitrate et d’ammonium (SNA)13,14,15,16. Mais en revanche, peu d'études ont également montré que plus de la moitié de la charge totale d'aérosols est de nature inorganique lors des épisodes de pollution maximale (tableau S1), soulignant la nécessité d'étudier le rôle des propriétés physicochimiques et thermodynamiques des constituants atmosphériques dans des conditions atmosphériques contrastées. . Par exemple, Gani et al.17 ont montré que pendant les périodes de pollution maximale de janvier 2018, les fractions inorganiques représentaient près de 60 % de la charge massique totale de PM1 à Delhi. Ces aérosols inorganiques sont principalement composés de chlorure, de sulfate, de nitrate et d'ammonium (CSNA)18,19.

Les concentrations horaires de chlorure observées dépassent plusieurs fois 100 µg m−3, considérées comme parmi les plus élevées signalées au monde20. La teneur en ammoniac en phase gazeuse (NH3) est également très élevée, ce qui affecte considérablement la formation d'aérosols secondaires en hiver. Plusieurs études récentes ont étudié la sensibilité des aérosols à la réduction des gaz précurseurs en Chine, aux États-Unis et en Europe4, mais aucune étude menée en Inde n'a encore été réalisée. Des efforts considérables sont nécessaires pour améliorer notre compréhension scientifique de la régulation efficace de la charge d’aérosols dans l’IGP.

Dans cette étude, nous visons à fournir de nouvelles informations mécanistiques sur la formation et l'atténuation des aérosols en intégrant le modèle d'équilibre thermodynamique ISORROPIA-II avec l'ensemble de données des gaz précurseurs (HCl, HNO3 et NH3) et des constituants inorganiques (Cl−, NO3−, SO42). −, Na+, NH4+, K+, Ca2+ et Mg2+) des PM1 et PM2,5 acquis à l'aide du premier déploiement de l'instrument MARGA-2S dans l'IGP (texte supplémentaire S1). Nous explorons un cadre mathématique pour étudier la sensibilité de la répartition gaz-particules des aérosols à différents paramètres tels que les concentrations de précurseurs gazeux (HCl, HNO3 et NH3), le pH et l'ALWC, à l'aide de courbes sigmoïdales et de « régimes de sensibilité » des aérosols. À notre connaissance, il s'agit de la première tentative d'étude du contrôle thermodynamique des aérosols sur la région indienne, et la « feuille de route thermodynamique » avancée dans cette étude pourrait fournir des stratégies d'atténuation efficaces et ciblées dans l'IGP.