Authors:	Mu, Qing
Title:	Regional modeling of polycyclic aromatic hydrocarbons and other persistent organic pollutants : model development and applications
Online publication date:	27-Apr-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and other persistent organic pollutants (POPs) are hazardous pollutants in the environment. Due to the relatively long environmental lifetime, they can often be distributed globally. POPs can accumulate along food chains and reach toxic levels for biota. Moreover, their physical and chemical processes in the Earth system are complex. In particular, (1) many substances are semi-volatile such that they partition between particulate and gas phase; (2) upon deposition to the soil, many substances which resist biodegradation in the soil, can re-volatilize into the atmosphere; (3) the degradation of the particulate phase in the air is not well accounted for in the ambient conditions, which is over-simplified or completely neglected. As these processes are not well described or missing in the current atmospheric models, the characterization of atmospheric cycling, fate, environmental exposure to and long-range transport potential of these pollutants is hindered. In this study, a regional atmospheric chemical transport model is updated by improving and including up-to-date terrestrial cycling processes of PAH/POP. In this PhD work, the regional chemical transport model WRF-Chem is extended to include all the up-to-date physical and chemical processes of PAH/POP, such as emission, transport, gas-particle partitioning, air-soil gas exchange, heterogeneous degradation, gas-phase reaction, cloud scavenging, dry deposition and wet deposition. The extended model is named WRF-Chem-PAH/POP. Predicted atmospheric concentrations and particulate mass fractions are evaluated against near-source and remote-outflow observation data in high resolutions. The predictions have been largely improved compared with previous modeling studies. Besides, sensitivity tests verify the necessity to include homogeneous reaction with NO3 and multiphase reaction with O3 in the model. The WRF-Chem-PAH/POP model is applied to study the multiphase degradation of benzo[a]pyrene (BaP), one of the most toxic PAHs. A new kinetic framework depending on environmental temperature and humidity is implemented. Temperature and humidity can change the phase state of BaP-absorbed organic particles, influence the chemical reactivity and thus long-range transport potential of BaP. Model results show that the new kinetic scheme can significantly improve model predictions at various kinds of sites systematically, implying a need to re-evaluate the underestimated long-range transport potential of BaP. Re-volatilization of soil accumulated POPs under the South Asian summer monsoon is also explored by the WRF-Chem-PAH/POP model. The onset of summer monsoon brings clean air masses from the southern hemisphere and corresponds with the observed reduction of atmospheric pollution levels over the southern parts of India. The enhanced difference between air and soil concentrations triggers the re-volatilization of POPs from soils, which are accumulated in soils as a result of multidecadal agricultural (e.g. pesticides) and industrial (e.g. polychlorinated biphenyls) activities. These pollutants are banned since decades but continue to cycle in the environment. The modeled results agree well with the observations and confirm this explanation of the phenomenon. In conclusion, WRF-Chem-PAH/POP is one of the most up-to-date large-scale PAH/POP models, which is unique with regard to temporal and spatial resolutions. It provides a powerful tool to study the fate of and environmental exposure to PAH/POP. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) und persistente organische Schadstoffe (POPs) sind gefährliche Schadstoffe. Aufgrund ihrer relativ langen Lebensdauer in der Umwelt können diese Stoffe häufig global verteilt sein. POPs können sich in der Nahrungskette anreichern und für die Biota, Flora und Fauna, giftige Konzentrationen erreichen. Außerdem sind ihre physikalischen und chemischen Prozesse ihres Zyklierens im Erdsystem sehr komplex. Insbesondere dadurch, dass (1) viele Stoffe mittelflüchtig sind und sich deshalb zwischen Gas- und Partikelphase verteilen; (2) viele Substanzen, die im Boden nicht biologisch abbaubar sind, nach ihrer Ablagerung wieder in die Atmosphäre re-emittiert werden (revolatisieren); (3) der Abbau der Partikelphase in der Luft für Umgebungsbedingungen nicht gut erfasst ist und zu stark vereinfacht oder komplett vernachlässigt wird. Da diese Prozesse in aktuellen Atmosphärenchemiemodellen nicht ausreichend gut beschrieben sind, ist die Beschreibung von Zyklieren, Verbleib und Ferntransport, sowie der Umweltexposition gegenüber diesen Schadstoffen unvollständig. In dieser Studie wird ein regionales Atmosphärenchemiemodell durch Verbesserung und Miteinbeziehung von aktuellen physikalischen und chemischen Prozessen von PAHs und POPs aktualisiert. In dieser Doktorarbeit wurde das regionale Atmosphärenchemiemodell WRF-Chem um aktuelle physikalische und chemische Prozesse der PAHs und POPs erweitert, wie Emission, Transport, Gas-Partikel-Partitionierung, Luft-Boden-Gasaustausch, heterogener Abbau, Gasphasenreaktion, Wolkenspülung, Trockenabscheidung und Nassabscheidung. Das erweiterte Modell wird WRF-Chem-PAH/POP genannt. Vorhergesagte Konzentrationen in der Atmosphäre und Massenanteile in der Partikelphase atmosphärischer Aerosole werden mittels Vergleich mit Beobachtungsdaten von nahe an Emissionsquellen liegenden Messpunkten und fernab gelegenen Orten in hoher zeitlicher Auflösung bewertet. Die Vorhersagen konnten im Vergleich zu vorherigen Modellen erheblich verbessert werden. Darüber hinaus bestätigen Sensitivitätstests die Notwendigkeit, homogene Reaktionen von NO3 und O3 in das Modell einzubeziehen. Das WRF-Chem-PAH/POP Modell wurde angewendet um den mehrphasigen Abbau von Benzo[a]pyren (BaP), einem der toxischsten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, zu untersuchen. Es wurde eine neuartige, von der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit abhängige Beschreibung der chemischen Kinetik eingeführt. Temperatur und Feuchtigkeit können den Phasenzustand von BaP absorbierenden organischen Partikeln verändern, die chemische Reaktivität beeinflussen und somit auch das Ferntransportpotenzial von BaP verändern. Modellergebnisse zeigen, dass die neuartige Beschreibung der Kinetik Modellvorhersagen für verschiedene Typen von Messorten signifikant verbessern kann. Das hat zur Folge, dass das Ferntransportpotenzial, bislang zu gering eingeschätzten, neu zu bewerten ist. Auch die Re-emission von im Boden angereicherten POPs während des südasiatischen Sommermonsuns wurde mit WRF-Chem-PAH/POP untersucht. Der Beginn des Sommermonsuns bringt extrem reine Luftmassen von der Südhalbkugel, was eine Verringerung der Schadstoffkonzentrationen in der Atmosphäre über den südlichen Teilen Indiens bewirkt. Die verstärkte Differenz zwischen Luft- und Bodenkonzentrationen löst die Re-emission der POPs aus dem Boden aus, welche sich im Boden als Folge von landwirtschaftlicher (z. B. Pestizide) bzw. industrieller (z. B. polychlorierte Biphenyle) Aktivitäten aus mehreren Jahrzehnten angereichert haben. Trotzdem diese Schadstoffe seit Jahrzehnten verboten sind, setzen sie ihren Kreislauf in der Umwelt fort. Die modellierten Ergebnisse stimmen gut mit den Beobachtungen überein und bestätigen die Beschreibung des Phänomens. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass WRF-Chem-PAH/POP eines der aktuellsten und umfassenden PAH/POP-Modelle ist, welches einzigartig in Bezug auf die zeitliche und örtliche Auflösung ist. Es stellt ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von Transport und Verbleib von der PAHs und POPs, sowie der Umweltexposition gegenüber diesen Substanzen dar.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2661
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000019741
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	viii, 132 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen