Mostreig i anàlisi molecular de l’aerosol orgànic a la troposfera baixa: fonts i transformacions

Abstract

[cat] L’aerosol orgànic (OA) representa una fracció molt variable de les partícules en suspensió (PM), i comprendre les seves propietats químiques, físiques i toxicològiques és essencial per millorar la qualitat de l’aire. En les darreres dècades, s’han identificat diversos compostos orgànics que actuen com a marcadors de fonts d’emissió i processos de transformació atmosfèrics i que poden tenir efectes tòxics. Entre aquests es troben els compostos emesos directament a l’atmosfera, l’aerosol orgànic primari (POA), com els hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs), generats per combustió incompleta de matèria orgànica; els hopans, associats al trànsit rodat; i el levoglucosà, indicador de la crema de biomassa. També s’hi troben compostos formats a l’atmosfera, que constitueixen l’aerosol orgànic secundari (SOA), derivats principalment de l’oxidació de compostos orgànics volàtils com l’isoprè i l’α-pinè. Les condicions meteorològiques influencien la distribució de tots aquests compostos. No obstant això, el coneixement integrat sobre la composició dels aerosols, les condicions atmosfèriques i els seus efectes sobre la salut humana és limitat, especialment en situacions meteorològiques complexes on la dispersió dels contaminants es veu reduïda. Aquesta tesi té com a objectiu identificar fonts d’emissió, processos de transformació i patrons de distribució vertical dels aerosols a la troposfera baixa mitjançant l’anàlisi molecular de compostos orgànics presents a les PM en diversos entorns, alçades i condicions atmosfèriques. Primerament, s’ha desenvolupat una metodologia per analitzar PAHs i compostos polars en mostres de volum baix (<1 m3) mitjançant GC-MS d’alta resolució. Aquesta tècnica de cost baix ha demostrat ser eficient, amb bona repetibilitat i mostra una bona correlació amb l’anàlisi de volums grans, tot reduint el consum de materials i dissolvents. A més, ha obert la porta a un sistema de mostreig amb globus captius a la troposfera baixa consistent en sondejos de tres hores de duració amb l’objectiu d’estudiar la composició orgànica a dues alçades (superfície i ⁓ 400 m). Aquest estudi s’ha dut a terme en entorns industrials, rurals i suburbans i s’ha complementat amb l’anàlisi d’OA a la zona urbana de Barcelona, tot aprofitant la seva orografia. Les concentracions dels compostos orgànics a diferents alçades mostren una acumulació de POA a la superfície, especialment durant les inversions tèrmiques nocturnes. Aquestes observacions suggereixen que les emissions de trànsit i crema de biomassa es concentren a la capa estable nocturna, amb concentracions que poden diferir fins a un ordre de magnitud a les primeres capes de l'atmosfera. Els compostos secundaris, com alguns PAHs oxigenats i el SOA biogènic, presenten una distribució més homogènia a la troposfera baixa, amb concentracions sovint més elevades a la capa residual nocturna. A més, les relacions d’aquests amb els seus precursors suggereixen una oxidació més gran en alçada. En aquesta memòria també s’inclou un estudi conjunt de la composició orgànica de les PM i la toxicitat associada de mostres recollides per autoritats regionals en diverses estacions de monitoratge. Les emissions de vehicles són la font predominant a l’estació urbana de trànsit, mentre que a les zones suburbanes i rurals, la crema de biomassa a l’hivern i el SOA a l’estiu influeixen significativament en la qualitat de l’aire. Les mostres recollides durant l’hivern en zones suburbanes i rurals, riques en aerosols procedents de la crema de biomassa, van provocar la mortalitat més elevada en cèl·lules epitelials pulmonars exposades. Aquests resultats destaquen la necessitat d’estratègies específiques adaptades a cada entorn per millorar la qualitat de l’aire arreu del territori. Finalment, el treball amplia la perspectiva a un punt elevat a Sierra Nevada (2500 msnm), on s’han identificat diverses fonts i processos a partir de la composició orgànica i inorgànica de les PM. Aquests estan clarament associats a circulacions típiques de zones muntanyoses i de gran escala, com ara el transport de brises de muntanya i les intrusions de pols sahariana. En general, els resultats mostren la forta influència de l’oxidació i del transport d’aerosols de mig i llarg abast sobre la composició química de l’aerosol en aquest lloc elevat.