高時間分解能の環境データを用いて、異なる季節におけるアンモニウムのガス粒子分配を調査した

Using high temporal resolution ambient data to investigate gas-particle partitioning of ammonium over different seasons.

• Qianyu Zhao
• Athanasios Nenes
• Haofei Yu
• Shaojie Song
• Zhimei Xiao
• Kui Chen
• Guoliang Shi
• Yinchang Feng
• Armistead G Russell

抄録

アンモニウムは、微小粒子状物質(PM2.5)中の主要な無機水溶性イオンの一つである。本研究では、中国天津市から採取した1時間ごとの環境試料を用いて、pHとアンモニウム(ε(NH4+))の分配との関係を解析するために、ソースアポーションモデルと熱力学平衡モデルを用いた。理論的なε(NO3-)*(本研究で同定された指標)が特定の範囲内にある場合、周囲の毎時エアロゾルデータセットからpHとε(NH4+)の間に「逆S字カーブ」が見られることを発見しました。その後、ボルツマン関数が"逆S字カーブ"に適合するために使用されました。夏のデータセットでは、ε(NO3-)*が0.7-0.8の間にあるとき、フィットしたR2は0.88であった。熱力学的解析により、k[H+]2(k=3.08×104L2/mol2)とε(NO3-)*の値がpH-ε(NH4+)曲線に影響を与えることがわかった。特定の状況下では、k[H+]2とε(NO3-)*の値は互いに似ており、ε(NH4+)はpHに敏感であり、ε(NO3-)*がε(NH4+)に重要な役割を果たしていることを示唆している。相対湿度が0.36以上でε(NO3-)*が0.8-0.95の夏季, 冬季, 春季には、R2=0.60の明らかな"逆S字曲線"が見られた。本研究で開発した理論k[H+]2とε(NO3-)*は、大気中のアンモニア-アンモニウムと硝酸-硝酸のガス粒子分配の解析に利用できる。また、発生源、エアロゾルのpHや液中水分量、イオンを統合した共同発生源-NH3/HNO3マップを作成したのは今回が初めてであり、粒子状物質汚染を効果的に制御するための戦略を立案する上で有用な情報を提供することができます。

Ammonium is one of the dominant inorganic water-soluble ions in fine particulate matter (PM2.5). In this study, source apportionment and thermodynamic equilibrium models were used to analyze the relationship between pH and the partitioning of ammonium (ε(NH4+)) using hourly ambient samples collected from Tianjin, China. We found that a "Reversed-S curve" between pH and ε(NH4+) from the ambient hourly aerosol dataset when the theoretical ε(NO3-)* (an index identified in this work) is within specific ranges. A Boltzmann function was then used to fit the "Reversed-S curve." For the summer dataset, when ε(NO3-)* was between 0.7-0.8, the fitted R2 was 0.88. Through thermodynamic analysis, we found that the values of k[H+]2 (k=3.08 × 104 L2/mol2) and ε(NO3-)* can influence the pH-ε(NH4+) curve. Under certain situations, the values of k[H+]2 and ε(NO3-)* are similar to each other, and ε(NH4+) is sensitive to pH, suggesting that ε(NO3-)* plays an important role on ε(NH4+). During summer, winter and spring seasons, when relative humidity was greater than 0.36 and ε(NO3-)* was between 0.8-0.95, there was an obvious "Reversed-S curve," with R2 =0.60. The theoretical k[H+]2 and ε(NO3-)* developed in this work can be used to analyze the gas-particle partitioning of ammonia-ammonium and nitrate-nitric acid in the ambient atmosphere. Also, it is the first time that we created the joint source-NH3/HNO3 maps to integrate sources, aerosol pH and liquid water content, and ions (altogether in one map), which can provide useful information for designing effective strategies to control particulate matter pollution.