1 / 25

H. Tammet AEL seminar 6. aprill 2011

Vaikne nukleatsioon: mõõtmistulemused ja modelleerimine (Q uiet phase of atmospheric aerosol nucleation: measurements and models). H. Tammet AEL seminar 6. aprill 2011. Air inlet. Sheath air filter. Inlet gate. Sheath air filter. Attracting electrodes. Attracting electrodes.

alva
Download Presentation

H. Tammet AEL seminar 6. aprill 2011

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Vaikne nukleatsioon: mõõtmistulemusedja modelleerimine(Quiet phase of atmospheric aerosol nucleation: measurements and models) H. Tammet AEL seminar 6. aprill 2011

  2. Air inlet Sheathair filter Inlet gate Sheathair filter Attracting electrodes Attracting electrodes Air ion trajectory Repelling electrode Repelling electrode Repelling electrode Repelling electrode Shield electrode Shield electrode Electrometric filter for positive ions Electrometric filter for negative ions Filter batteries Filter batteries Air outlet through multi-orifice plate Aparatuur SIGMA: Tammet, H. (2011) Symmetric inclined grid mobility analyzer for the measurement of charged clusters and fine nanoparticles in atmospheric air. Aerosol Sci. Technol., 45, 468-479. http://dx.doi.org/10.1080/02786826.2010.546818 MÜRA(10 min tsüklid) HALVEM POOL MÕÕTMISI PAREM POOL MÕÕTMISI

  3. Mõõtmistulemusi • SIGMA abil salvestatud liikuvusjaotustest moodustati kolmetunnikeskmised kasutades ainult kompaktseid tunnikolmikuid: • Tartu andmete 1705-st tunnikolmikust valiti edasiseks töötluseks 200madalama müraga kolmikut ja Tammemäe andmete 242-st tunnikolmikust 120. • Tabelid järjestati kergete ja keskmiste ioonide vahelise miinimumi sügavuse järgi. • Valiti andmed 12 diagrammi jaoks: • U+1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas • U+2 80×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas • U+3 80×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi linnas • U-1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas • U-2 80×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas • U-3 80×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi linnas • R+1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal • R+2 48×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal • R+3 48×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi maal • R-1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal • R-1 48×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal • R-1 48×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi maal

  4. Keskmiste ioonide madala kontsentratsiooniga liikuvusjaotuste tabel

  5. Keskmiste ioonide jaotuskõverad Tartus, kolm taset 0.032 0.063 0.125 0.25 Z : cm2V-1s-1 0.5

  6. Keskmiste ioonide jaotuskõverad Tammemäel, kolm taset 0.032 0.063 0.125 0.25 Z : cm2V-1s-1 0.5

  7. + + - - Tasakaal: d : nm Kombinatsioonikordaja sõltub osakese diameetrist ja polaarsusest. Lihtsustus: Laetusolek - 2 3 5 7 180 100 50 33 + 0 Ioonid ja neutraalid Tähelepanu all on osakesed diameetriga 1.5 kuni 7.5 nm. Mõõta saame laetud osakeste ehk keskmiste ioonide liikuvusi ja kontsentratsioone. Keskmised ioonid on praktiliselt kõik ühelaengulised ning liikuvuse järgi saab üheselt teada diameetri. Ioonid kontsentratsiooni järgi neutraalide kontsentratsiooni hindamine on aga probleemne, sest kasvavad osakesed ei ole tasakaalulises olekus.

  8. keskmine kombinatsioonikordaja fooniaerosooli- neel rekombinatsioonikordaja fooniaerosooli kontsentratsioon Eluiga Kerged ioonid surevad kas aerosooliosakestega ühinedes või vastastikku rekombineerudes Kergete ioonide dünaamika: Monodispersne tüüpfoon → Sb≈ 0.009 s-1 A_tools ülesanne “ion_aerosolsink (e.g. on background aerosol)” → Sb = 0.01 s-1 Kerge iooni keskmine eluiga tüüpfooni korral 1 / S≈ 100 s

  9. nanoosakeste diameeter fooniaerosooli kontsentratsioon Nanoosakeste neel fooniaerosoolil: fooniosakeste diameeter koagulatsioonitegur 107*Kcm3/s : min dn: nm 2 3 5 7 10 5 2 1.2 11 22 55 90 Eluiga Nanoosakesed kaovad kas fooniaerosooliosakestega ühinedes või mõõdust välja kasvades τ≈ 1/Sb Tüüpfoon

  10. 100 m Segunemiskõrgus ≈ Hinnangud: Tuulekaugus ≈ (τ : min) km Tuulekauguskm Segunemiskõrgusm τ: min dn: nm 43 60 95 120 2 3 5 7 11 22 55 90 11 22 55 90 Päritolu Segunemiskõrguse hinnangu lähtekoht: Radooni eluiga on ca 100 h ja segunemiskõrgus keskpärase turbulentsi tingimustes ca 1 km. NB: segunemiskõrguse hinnang ei kehti rünkpilvede all Järeldus: nanoosakesed on maapinna lähedal toimuva nukleatsiooni tulemus,erand: arenenud konvektsioon atmosfääris

  11. Küsimus enne teooriaga alustamist: Keskmised ioonid pole pole kergetest võrreldamatult suuremad ja kergete ioonidega rekombineerumine võiks neid märgatavalt kasvatada. Kas see nähtus võiks olla keskmiste ioonide kasvu seletamisel oluline?

  12. Growth of nanoparticles with deposited small ions Volume growth rateGV = dV/dtanddiameter growth rateG = ddp /dt: V = (π/6)dp3 and dV/dt = (π/2)dp2G. Conclusion: G = 2GV/ (πdp2). Flux of ion number to a particle is nβ(dp) and ion volume is (π/6)do3. Thus the volume growth rate GV = (π/6)do3nβ(dp). Theoretical estimate: G = 2(π/6)do3nβ(dp)/ (πdp2) = (1/3)(do3/ dp2)nβ(dp). If the nanoparticle is charged thenβ = β* else β = βº. Let do = 0.75 nm and n = 500 cm–3. Then for dp := 1 to 9 do begin c := (1/3) * 0.75 * 0.75 * 0.75 / (dp * dp); gneutral := c * 500 * attachment_coefficient ( 0, 0.73, 2, dp, 273, 1013); gcharged := c * 500 * attachment_coefficient (-1, 0.73, 2, dp, 273, 1013); writeln (dp, 3600*gneutral :9:4, 3600*gcharged :9:4); end; charge density of ionic matter dion n hour / second

  13. Kasvu kiirus G : nm/h neutral charged dp Go G* 1 0.0010 0.3747 2 0.0004 0.0808 3 0.0003 0.0362 4 0.0003 0.0208 5 0.0003 0.0136 6 0.0002 0.0096 7 0.0002 0.0072 8 0.0002 0.0056 9 0.0002 0.0045 Järeldus: ……………………

  14. Lihne teoreetiline mudel The model is designed using approximations, which areexplained in publications: Tammet, H., Kulmala, M. (2005) Simulation tool for atmospheric aerosol nucleation bursts. J. Aerosol Sci.,36, 173-196. Tammet, H., Kulmala, M. (2007) Simulating aerosol nucleation bursts in a coniferous forest, Boreal Env. Res., 12, 421-430. http://ael.physic.ut.ee/tammet/a_tools/

  15. Evolution of nanometer particles in a sectional model SECTION i - 1 SECTION i SECTION i + 1 di-1 di di+1 Gi-1 Gi Ni-1 Ni Ni+1

  16. + + - - Evolution of nanometer particles in a sectional model SECTION i - 1 SECTION i SECTION i + 1 + + + CHARGECONVERSION 0 0 0 INTAKE OUTGROW CHARGECONVERSION - - - SINK BACKGROUND AEROSOL

  17. = concentration of neutral particles in section i NB: if i = 1 then is to be replaced with Jo = growth rate of neutral particle out from section i = attachment coefficient of –ion to +particle of size di = concentration of positive small ions = sink of neutral particles on the background aerosol Dynamics of neutral particles in section i

  18. coagulation coefficient concentration of particles of size dbck probability to carry charge q Sink of nanoparticles on background aerosol Si , , Simplifications: Dynamics of neutral particles in section i background particles are monodisperse but polycharged If i = 1 then else

  19. Steady state: Steady state of neutral particles in section i Intake: Dynamics: What is known and what is unknown in these equations?

  20. First approximation: If both No and N* are measured and any of Gi is known then would be possible to calculate step by step Gi+1, Gi+1, Gi+1, … Unfortunately, only N* can be directly measured. If the particles would not grow then in the steady state: The growing particles “remember” the charging state of the smaller particles. A simple approximation is: Kerminen, V.-M., T. Anttila, T. Petäjä, L. Laakso, S. Gagne, K. E. J. Lehtinen, and M. Kulmala (2007), Charging state of the atmospheric nucleation mode: Implications for separating neutral and ion-induced nucleation, J. Geophys. Res., 112, D21205, doi:10.1029/2007JD008649.

  21. Experiment 1: Test distribution

  22. p = 1013 mb, T = 0 C, ionization rate = 5 nucleation: neutral = 1.88 charged = 0.00 n_ion = 497, Z_ion = 1.50, d_CST = 2.00 background aerosol N = 1500 1/cm3, d = 300 nm dN*/dd dN0/dd Sb:1/h Gr:nm/h intake dn*/dt CST 1.500 3.33 1573 8.95 3.71 1.880 -4.849 0.528 2.000 2.50 704 5.33 3.12 0.676 -0.047 0.632 2.500 2.00 377 3.67 2.81 0.318 -0.046 0.713 3.000 1.67 227 2.73 2.62 0.175 -0.036 0.777 3.500 1.43 149 2.13 2.51 0.109 -0.028 0.826 4.000 1.25 104 1.71 2.46 0.073 -0.023 0.865 4.500 1.11 76 1.41 2.46 0.053 -0.019 0.895 5.000 1.00 57 1.18 2.51 0.041 -0.016 0.918 5.500 0.91 45 1.01 2.60 0.033 -0.015 0.936 6.000 0.83 36 0.87 2.73 0.027 -0.013 0.950 6.500 0.77 29 0.76 2.90 0.023 -0.012 0.961 7.000 0.71 24 0.67 3.10 0.021 -0.012 0.970 7.500 0.67 20 0.59 3.34 0.019 -0.011 0.976

  23. Modelleerimine puhangusimulaatori abil Burstgrowthtable d GR 1.6 1.5 2.5 3.5 4.5 3.5 8.0 2.0 I = 5 Zion = 1.5 J = 3 Background aerosol d = 300 nm, N =1500 Birthsize 1.63

  24. Täname tähelepanu eest

More Related