Study and Characterization of regional background atmospheric aerosol in the Balearic Islands, Western Mediterranean

Abstract

[eng] This thesis sets out to present a number of outcomes regarding air pollution in the Western Mediterranean. In this work there is an analysis of the current status of atmospheric pollutants over the Balearic Islands and their recent trends (2000-2012). Furthermore, there is a detailed study of the chemical characterization of atmospheric aerosols and their sources (2010-2012). In addition, a parallel study of aerosol deposition to obtain atmospheric fluxes, including some pollutants and nutrients (2010-2012). Finally, there is an investigation about organic aerosol sources taking the opportunity to apply an innovative method developed in the framework of this PhD and applied to an internation field campaing developed in summer 2013. Chapter 1 collects a global introduction to focalize the main subject of this research. Chapters 2 to 5 correspond to several publications derived from this research. These chapters are divided into a number of sections homogeneously structured in order to favour better reading and understanding: first, an abstract of the chapter; second an introduction about the global interest of the topic, context, previous research and main objectives; third, methodology; fourth, highlighted results that have been worthy and innovative enough to be published; fifth, discussion about the outcomes and the opportunities; sixth, the main conclusions derived from our investigation. At the end, each chapter has its own bibliography, on the purpose of better findings. Chapter 2 discusses about trends 2000-2012 of air pollution considering regional, suburban and urban environments in Mallorca. This chapter is focused on the evolution of NO, NO2, SO2, O3 and PM10 concentrations. In addition, this work interprets daily, weekly, seasonal and inter-annual patterns of diverse pollutants in different environments. The combined assessment at different environments allows us to discern changes induced by the implementation of regional policies from those caused by the enactment of continental strategies. Moreover, the effect of North Atlantic Oscillation index (NAOi) on different metrics, environments and seasons is assessed. Chapter 3 deals with a 3-years study (2010-2012) of variability of air pollutants, PM composition and sources at a regional background site in the Balearic Islands.Furthermore, during three intensive observation periods real-time concentrations of particle number, black carbon and ammonia were measured.In addition, our study intends to evaluate the impact of increasing tourism (2010-2018) in this region as a regional source of pollution. Such a scenario is typically provoking during the warm season: 1) a much higher power supply demand; 2) a significant increment of vehicles all over the Island; 3) the increase in the amount of cruises, yachts and merchant ships; 4) a sharp increase in air traffic. Source apportionment studies have been conducted in order to elucidate the importance of anthropogenic and natural sources or the co-variance of certain sources or the relevance of specific sources during some meteorological scenarios or seasons. Chapter 4 discloses a 2 years campaign (Sept. 2010-Aug. 2012) studying fluxes and chemical composition of atmospheric deposition.Wet and dry deposition samples were collected separately. Time series and long-range-transport scenarios were studied. A Positive Matrix Factorization study has been carried out integrating both dry and wet deposition. Element ratios were investigated to discern differences among the origins of the mineral component. Patterns of clay and carbonate deposition have been also taken into account. And finally correlation of dry and wet deposition chemistry with PM10 chemical composition were investigated, in function of the meteorological scenario, in order to assess when and which components could present better linear regression. 18 Chapter 5 aims to integrate real-time HR-ToF-AMS data with off-line filter analysis, and to detect their synergies and challenges when evaluating organic sources. An extensive campaign was conducted in summer 2013. Thus including multiple devices based on off-line and real time techniques. Chapter 6 reflects on the outcomes obtained, assesses the current situation of the western Mediterranean air basin, and discusses opportunities for the future. Finally, Chapter 7 assembles the main conclusions derived from this thesis. Besides, annexes contain: - Scientific articles derived from this thesis - List of communications, conference attendances or workshops where results have been presented - International work involved during this thesis

[cat] Aquesta tesi està orientada a millorar el coneixement sobre la contaminació atmosfèrica en la Mediterrània occidental. Aquest treball conté una anàlisi de l’estat dels contaminants atmosfèrics, el seu comportament i l’estat evolutiu (2000-2012-2018). A més, es realitza un estudi de la caracterització química de l’aerosol atmosfèric i es determina la contribució de les fonts de fons existents (2010-2012). Adicionalment, es fa un estudi paral·lel per tal de conèixer els fluxos atmosfèrics de deposició d'alguns contaminants i nutrients (Setembre 2010-Agost 2012). Finalment, s’investiguen les fonts d’aerosols orgànics secundaris aprofitant una innovadora meteodologia desenvolupada durant aquesta tesis i aplicada a una campanya de mesura duta a terme durant l’estiu de 2013. El capítol 1 recull una introducció global per focalitzar el tema principal d'aquesta investigació. Els capítols 2 a 5 corresponen a diverses publicacions derivades d'aquesta investigació. Aquests capítols es divideixen en diverses seccions estructurades de manera homogènia per tal de tenir una millor comprensió i lectura: primer, un resum del capítol; en segon lloc, es descriu l’interès global de la qüestió, el context, la investigació prèvia i els objectius principals; tercer, la metodologia; quart, destaca resultats que són prou rellevants i innovadors per ser publicats; cinquè, discussió sobre els resultats i les oportunitats; sisè, les principals conclusions derivades de la nostra investigació. Al final, cada capítol té la seva pròpia bibliografia amb l'objectiu de que sigui més fàcil de trobar. El capítol 2 tracta sobre les tendències de la contaminació atmosfèrica 2000-2012 tenint en compte entorns regionals, suburbans i urbans a Mallorca. Aquest capítol està centrat en l'evolució de les concentracions de NO, NO2, SO2, O3 i PM10. A més, aquest treball interpreta patrons diaris, setmanals, estacionals i interanuals de diversos contaminants en diferents entorns. L’avaluació combinada en diferents entorns ens permet distingir els canvis induïts per l’aplicació de polítiques regionals de les provocades per la promulgació d’estratègies continentals. A més, s'avalua l'efecte de l'índex d'oscil·lació de l'Atlàntic Nord (NAOi) sobre diferents mètriques, ambients i temporades. Capítol 3 versa sobre un estudi de tres anys (2010-2012) sobre la variabilitat dels contaminants atmosfèrics, la composició del PM i les fonts d'un lloc regional de les Illes Balears. A més, durant tres períodes d'observació intensius es van mesurar concentracions en temps real de nombre de partícules, carboni elemental i amoníac. A més, el nostre estudi pretén avaluar l’impacte del creixent turisme (2010-2018) a aquesta regió com a font regional de contaminació. Aquest escenari provoca típicament en la temporada càlida: 1) una demanda de subministrament d'energia molt més elevada; 2) un increment significatiu de vehicles a tota l’illa; 3) l'augment de la quantitat de creuers, iots de creuers i vaixells mercants; 4) Un fort augment del transport aeri. S'han realitzat estudis de contribució de fonts per dilucidar la importància de fonts naturals, antropogèniques o la convergència de fonts o la rellevància de fonts específiques durant alguns escenaris meteorològics o estacions. El capítol 4 mostra una campanya de dos anys (setembre de 2010 a agost de 2012) que estudia els fluxos i la composició química de la deposició atmosfèrica. Les mostres de deposició humida i en seca es van recollir per separat. Es van estudiar sèries temporals i escenaris de transport de llarga distància. S'ha realitzat un estudi de Positive Matrix Factorization integrant la deposició en sec i humida. S'han investigat els ratios entre elements per detectar diferències entre els orígens de la component mineral. També s'han tingut en compte els patrons de deposició d’aluminosilicats i carbonats. I finalment es va investigar la correlació de la química de deposició seca i humida amb la composició química PM10 en funció de l'escenari 20 meteorològic, per tal de valorar quan i quins components podrien presentar una millor regressió lineal. El capítol 5 té com a objectiu integrar dades de HR-ToF-AMS en temps real amb anàlisis de mostres de filtres i detectar les seves sinergies i reptes a l’hora d’avaluar fonts orgàniques. L'estiu de 2013 es va dur a terme una extensa campanya, incloent-hi diversos dispositius basats en tècniques manuals i en temps real. El capítol 6 fa una reflexió sobre els resultats obtinguts, avalua la situació actual de la conca aèria a la Mediterrània occidental i fa un extracte sobre les oportunitats al futur. Finalment, el capítol 7 recull les principals conclusions derivades d’aquesta tesi. A més, els annexes contenen: - Articles científics derivats d'aquesta tesi - Llistat de comunicacions, asistència a conferències o grups de treball on s’han presentat els resultats - Treball internacional corresponent a aquesta tesis

[spa] Esta tesis está orientada a mejorar el conocimiento sobre la contaminación atmosférica en el Mediterráneo occidental. Este trabajo contiene un análisis del estado de los contaminantes atmosféricos, su comportamiento y el estado evolutivo (2000-2012-2018). Además, se realiza un estudio de la caracterización química del aerosol atmosférico y se determina la contribución de las fuentes de fondo existentes (2010-2012). Adicionalmente, se hace un estudio paralelo para conocer los flujos atmosféricos de deposición de algunos contaminantes y nutrientes (Septiembre 2010-Agosto2012). Finalmente, se investigan las fuentes de aerosoles orgánicos secundarios aprovechando una innovadora meteodologia desarrollada durante esta tesis y aplicada a una campaña de medida llevada a cabo durante el verano de 2013. El capítulo 1 recoge una introducción global para focalizar el tema principal de esta investigación. Los capítulos 2 a 5 corresponden a varias publicaciones derivadas de esta investigación. Estos capítulos se dividen en varias secciones estructuradas de manera homogénea para tener una mejor comprensión y lectura: primero, un resumen del capítulo; en segundo lugar, se describe el interés global de la cuestión, el contexto, la investigación previa y los objetivos principales; tercero, la metodología; cuarto, destaca resultados que son suficientemente relevantes e innovadores para ser publicados; quinto, discusión sobre los resultados y las oportunidades; sexto, las principales conclusiones derivadas de nuestra investigación. Al final, cada capítulo tiene su propia bibliografía con el objeto de que sea más fácil de encontrar. El capítulo 2 trata sobre las tendencias de la contaminación atmosférica 2000-2012 teniendo en cuenta entornos regionales, suburbanos y urbanos en Mallorca. Este capítulo está centrado en la evolución de las concentraciones de NO, NO2, SO2, O3 y PM10. Además, este trabajo interpreta patrones diarios, semanales, estacionales e interanuales de varios contaminantes en diferentes entornos. La evaluación combinada en diferentes entornos nos permite distinguir los cambios inducidos por la aplicación de políticas regionales de las provocadas por la promulgación de estrategias continentales. Además, se evalúa el efecto del índice de oscilación del Atlántico Norte (NAOi) sobre diferentes métricas, ambientes y temporadas. Capítulo 3 versa sobre un estudio de tres años (2010-2012) sobre la variabilidad de los contaminantes atmosféricos, la composición del PM y las fuentes de un sitio regional de las Islas Baleares. Además, durante tres períodos de observación intensivos se midieron concentraciones en tiempo real del número de partículas, carbono elemental y amoníaco. Además, nuestro estudio pretende evaluar el impacto del creciente turismo (2010-2018) en esta región como fuente regional de contaminación. Este escenario provoca típicamente en la temporada cálida: 1) una demanda de suministro de energía mucho más elevada; 2) un incremento significativo de vehículos en toda la isla; 3) el aumento de la cantidad de cruceros, yates de cruceros y barcos mercantes; 4) Un fuerte aumento del transporte aéreo. Se han realizado estudios de contribución de fuentes para dilucidar la importancia de fuentes naturales, antropogénicas o la convergencia de fuentes o la relevancia de fuentes específicas durante algunos escenarios meteorológicos o estaciones. El capítulo 4 muestra una campaña de dos años (septiembre de 2010 a agosto de 2012) que estudia los flujos y la composición química de la deposición atmosférica. Las muestras de deposición húmeda y seca se recogieron por separado. Se estudiaron series temporales y escenarios de transporte de larga distancia. Se ha realizado un estudio de Factorización Matricial Positiva integrando la deposición seca y húmeda. Se han investigado los ratios entre elementos para detectar diferencias entre los orígenes de la componente mineral. También se han tenido en cuenta los patrones de deposición de aluminosilicatos y carbonatos. Y 22 finalmente se investigó la correlación de la química de deposición seca y húmeda con la composición química PM10 en función del escenario meteorológico, para valorar cuándo y qué componentes podrían presentar una mejor regresión lineal. El capítulo 5 tiene como objetivo integrar datos de HR-ToF-AMS en tiempo real con análisis de muestras de filtros y detectar sus sinergias y retos a la hora de evaluar fuentes orgánicas. El verano de 2013 se llevó a cabo una extensa campaña, incluyendo varios dispositivos basados en técnicas manuales y en tiempo real. El capítulo 6 hace una reflexión sobre los resultados obtenidos, evalúa la situación actual de la cuenca aérea en el Mediterráneo occidental y hace un extracto sobre las oportunidades en el futuro. Finalmente, el capítulo 7 recoge las principales conclusiones derivadas de esta tesis. Además, los anexos contienen: - Artículos científicos derivados de esta tesis - Listado de comunicaciones, asistencia a conferencias o grupos de trabajo donde se han presentado los resultados - Trabajo internacional correspondiente a esta tesis