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Impatto della regolamentazione delle emissioni marittime sui cambiamenti della composizione dell'aerosol urbano rivelati dal recettore e dalla modellazione numerica

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Impatto della regolamentazione delle emissioni marittime sui cambiamenti della composizione dell'aerosol urbano rivelati dal recettore e dalla modellazione numerica

npj Climate and Atmospheric Science

npj Climate and Atmospheric Science volume 6, numero articolo: 52 (2023) Citare questo articolo

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Recentemente sono stati implementati vari controlli sulle emissioni delle navi sia a livello locale che nazionale. Tuttavia, è difficile tracciare l’effetto di questi sui livelli di PM2,5, a causa della relazione non lineare che esiste tra i cambiamenti nelle emissioni dei precursori e nei componenti del PM. La Fattorizzazione della Matrice Positiva (PMF) identifica che il passaggio a combustibili più puliti a partire da gennaio 2020 si traduce in considerevoli riduzioni del PM2,5 correlato alle fonti di navigazione, in particolare aerosol di solfati e metalli (V e Ni), non solo in un sito portuale ma anche a un sito di fondo urbano. L’analisi di sensibilità CMAQ rivela che la riduzione degli aerosol inorganici secondari (SIA) si estende ulteriormente alle aree interne sottovento rispetto ai porti. Inoltre, la mitigazione degli aerosol organici secondari (SOA) nelle aree urbane costiere può essere anticipata dai risultati della modellazione dei recettori o dalle simulazioni CMAQ. I risultati di questo studio mostrano la possibilità di ottenere benefici per la salute umana nelle città costiere attraverso il controllo delle emissioni marittime.

Le preoccupazioni sul contributo degli inquinanti atmosferici provenienti dal settore marittimo alle emissioni globali sono state ampiamente esaminate1,2,3,4. Si stima che le emissioni delle navi oceaniche rappresentino rispettivamente il 5-8% e il 15% degli ossidi di zolfo (SOx) e degli ossidi di azoto (NOx) di origine antropica globale1. In media, il 70% degli inquinanti atmosferici derivanti dalle attività di trasporto marittimo vengono emessi entro 400 km dalle coste, indicando la potenziale importanza del carico di inquinamento atmosferico causato dalle navi sulle città costiere e dei livelli globali di particolato di fondo5. È stato stimato che le emissioni delle navi associate alle manovre e all'albergamento nel porto di Los Angeles contribuivano all'1,4% del PM2.5 primario osservato a 80 km nell'entroterra6. I contributi derivanti dalle emissioni del trasporto marittimo sono stati stimati tra l’1 e il 14% delle concentrazioni di PM2,5 osservate nelle regioni costiere europee e rappresentano fino al 25% del PM2,5 primario nelle aree hotspot1,2,5. La durata più breve degli NOx all'interno del pennacchio delle emissioni della nave (~1,8 ore) rispetto alle tipiche condizioni ambientali marine (~6,6 ore a mezzogiorno) può comportare livelli aumentati di aerosol di nitrati (ad esempio, NH4NO3 e NaNO3) vicino alle rotte di navigazione7. Inoltre, il tasso di conversione accelerato del biossido di zolfo (SO2) in solfato (SO42−) nei pennacchi di trasporto con elementi metallici (emessi dalla combustione di oli combustibili pesanti) che agiscono come catalizzatori nei processi di ossidazione, può spiegare livelli elevati di aerosol di solfato (ad esempio, (NH4)2SO4 e NH4HSO4) nello strato limite marino8,9. Inoltre, le masse d'aria trasportate arricchite in SO2 con condizioni atmosferiche favorevoli (elevata umidità relativa) per la formazione di SIA possono provocare elevati aerosol di solfato vicino alle città costiere10,11.

L’impatto significativo delle emissioni delle navi non solo sulla qualità dell’aria ma anche sugli esiti avversi per la salute come malattie cardiovascolari, malattie respiratorie e morte prematura è stato ben documentato4,12,13,14,15,16,17. Secondo un sondaggio di esperti del progetto WHO-HRAPIE, le emissioni del trasporto marittimo sono state considerate un’importante categoria di fonti per quanto riguarda la salute su scala globale, a causa della crescita dell’inquinamento atmosferico associato all’aumento del commercio internazionale e all’uso di combustibili di bassa qualità che danno come risultato aerosol contenenti elementi tossici16,18,19,20. Sono state delineate le preoccupazioni relative all'aumento dei livelli di metalli negli aerosol, in particolare vanadio (V) e nichel (Ni) nelle regioni portuali21, poiché i pennacchi di trasporto con un'acidità relativamente elevata possono aumentare la biodisponibilità di queste specie metalliche8,22,23,24. Sono stati affrontati anche gli elevati rischi potenziali per la salute derivanti da sostanze chimiche organiche tossiche associate alle emissioni di gas di scarico delle navi, come gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), le policlorodibenzo-p-diossine e i policlorodibenzofurani (PCDD/F)5,25, e gli elevati livelli di nanoparticelle - le particelle originate dalle emissioni di gas di scarico delle navi nelle regioni costiere sono state sollevate preoccupazioni4,19,26,27.

 0.9), compared to the plots for raw measurements (see Supplementary Fig. 4). When the spatial distribution of ratios between shipping tracers was assessed, a slightly enhanced ratio of V to Ni (V/Ni) in PM2.5 was observed at Sin-Hang (2.2, see Fig. 3a), compared to Yeon-San (1.8, see Fig. 3b). The V/Ni ratios obtained in this study were comparable to those reported by others. Manousaks et al. reported that the V/Ni ratio in PM2.5, derived from the PMF shipping-source is 3.040. It was shown that the V/Ni ratios were 2.3–3.5 and 2.06 for shipping exhausts and crustal sources, respectively1,41. The V/Ni ratio measured in shipping fuel oil was about 2.542. Meanwhile, interestingly the ratios of nss-SO42− to V (nss-SO42−/V) in PM2.5 were apparently distinguishable between the two sites, with mean ratios of 35 and 362 at Sin-Hang and Yeon-San, respectively (see Fig. 3c, d). The fact that ammonium sulphates are major secondary inorganic components in PM2.5 and formed during transport may result in the developed levels of SO42− in inland areas. Therefore, it may be inferred that around 90% of nss-SO42− in PM2.5 is attributable to secondary formation at Yeon-San, approximately 6 km to the north of the port regions, while only 10% of nss-SO42− is associated with freshly emitted emissions, under the following assumptions: chemical reaction of V contained in PM2.5 is minor during transport from near port regions to inland location; and the use of PMF-resolved ratio between two components (i.e., nss-SO42−/V) can normalise the shipping plume dilution effect. It was demonstrated that the nss-SO42−/V ratio measured from shipping exhausts ranged from 11 to 2741, and the higher ratio of 200–400 was obtained from inland urban aerosols in the summer, associated with shipping as the source1. The significant contribution from shipping emissions to secondary PM2.5 formation has been outlined in other studies. At Yangshan Harbour in China, the shipping-source contribution to annual PM2.5 was estimated as 1.02 μg m−3 using a PMF-based method, and this value was higher by one order of magnitude than that of primary PM2.5 estimated from V-based method (0.10 μg m−3)16,43. These results have significant implications in terms of the wisdom of controlling shipping emissions in coastal cities to mitigate PM2.5 levels, which can ultimately provide human health benefits./p> 9) and aromatics are more associated with shipping emissions, than vehicular exhausts9. The halogenated hydrocarbons such as chlorofluorocarbon (CFCs), tetrachloroethylene (TCE) and hexachlorobutadiene (HCBD) have been considered as indicators for aged air masses47,48,49,50, however the spatial analysis result in this study showed that these trace gases might be enhanced by local sources in port regions. As shown in Fig. 4a, this factor showed strong seasonality, having an enhanced contribution in summer when influenced by oceanic air masses. As well, there was a distinctive diurnal pattern with higher levels during the daytime. The PMF-derived polar plot showed that the largest concentration for trace gases at Site A was determined by southerly wind at with relatively low wind speed. Thus, Factor 1 was assigned to shipping emission sources./p> 10) appeared in the PMF shipping-source profile (see Supplementary Fig. 7) and intermediate VOCs (IVOC) has been highlighted in SOA formation potential9,67,68./p> MDL; 0.2 when Cij ≦ MDL), and MDL is the detection limit determined by means of repeated measurements./p>