Gabriele Curci Seminari CETEMPS 1° semestre 2008 Emissioni Biogeniche di Composti Organici Volatili: Modellistica e Impatto su livelli di Ozono e Particolato Gabriele Curci Seminari CETEMPS 1° semestre 2008

Gabriele Curci, CETEMPS Sommario Ruolo dei VOC in atmosfera Formazione di ozono e particolato secondario (SOA) Emissioni biogeniche Budget, misure e modellistica Impatto su Ozono e PM10 a scala Europea Risultati progetto NatAir Impatto ad alta risoluzione Progetto CIRCE Implementazione MEGAN in Chimere Sviluppi futuri Progetto QUITSAT: stima emissioni BVOC da satellite Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Ruolo dei VOC in atmosfera Potere ossidante o autopulente dell’atmosfera (OH) Clima Qualità dell’aria Radiazione (SOA) Aerosol SOA RCHO Sole RO2 O3 CO VOC CH4 Volatile Organic Compounds VOC:NOx NO2 NOx ossidi di azoto OH NO Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Budget emissioni VOC: bio vs antro Species Global (Tg/y) [Guenther 95] Europe (Tg/y) [Simpson 99] Lifetime Ozone Forming Potential Antro VOC 142 19.3 2 h – 10 d 1.3-2.2 Isoprene 503 4.6 0.5-1 h 9.1 Monoterpenes 127 3.8 0.5-2 h 3.3 Other BVOC 260 3.6 1 h – 10 d 1-2 Bio Total 890 12.0 - VOC:NOx Ozone and SOA formation BVOC:AVOC ratio Rural Urban Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Distribuzione emissioni VOC: bio vs antro [Mg] Biogenic VOC emissions (ISOPRENE+TERPENES) are about 60% of anthropogenic VOC emissions on annul basis at continental scale BVOC > AVOC emissions in Spain and Greece Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Gabriele Curci, CETEMPS I VOC sono emessi da alberi, erba, cespugli, etc. Sono un prodotto della loro attività vitale Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Misure di VOC da vegetazione Misure dei flussi di VOC Enclosure Eddy-flux covariance Al CETEMPS: P. Di Carlo Immagini da una presentazione di F. Loreto (IBAF-CNR, Roma) tenutal all’Aquila nel novembre 2007. Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Caratteristiche salienti delle emissioni di BVOC 1 2 Esponenziale con la temperatura 3 4 Proporzionale alla radiazione (fotosintesi) Età delle foglie Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Modellistica delle emissioni di BVOC E = E0 LAI T AGE PAR Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Modelli di Chimica e Trasporto (CTM) Possono servire a stimare l’impatto di BVOC su O3 e PM10 EMISSIONI Antro: NOx, SO2, CO, NMVOC, NH3, PM, BC, OC, POPs Bio: isoprene, terpeni, NO  Altre: BB, vulcani Mappa Ozono 10x10 km2 METEO MM5/ECMWF Grid FDDA MRF PBL Noah soil model Reisner 2 micro. Chimere V200709A Avvezione/diffusione Convezione Chimica gas & aero BC, OC SOA Windblown dust Sea salt DMS LAND USE: GLCF BOUNDARY CONDITIONS Gas: LMDz-INCA, Aerosol: GOCART (mensile)  GEOS-Chem (oraria) Modello sviluppato presso: IPSL, LISA, INERIS (Parigi) Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Gabriele Curci, CETEMPS NatAir project (FP6) Natural and Biogenic Emissions and Assessment of Impacts on Air Quality Main objective: estimation of fraction of atmospheric pollutants over Europe which can be attributed to natural/biogenic emissions (“incompressible part of air quality”) Development of state-of-the-art biogenic emission inventory: 10 km resolution on the European domain Sources included: Biogenic VOCs: isoprene, speciated terpenes and others NO from soils Forest fires Wind blown dust Lightning Spores, bacteria Animals Wetlands Sea salt and DMS Volcanoes Geological seapages Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Impatto BVOC su ozono: estate 2001 O3 Max senza BVOC ΔO3 Max con BVOC ΔO3 medio: ~2.5 ppbv (5%) Portogallo: >15 ppbv (30%) ΔO3 SUD > ΔO3 NORD Impatto maggiore vicino città (emissioni NOx) In Scandinvia prevale ozonolisi dei terpeni Nord EU: 42-54 ppbv Sud EU: 46-66 ppbv Po valley: >70 ppbv Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Evoluzione della produzione di O3 da BVOC Animation of hourly contribution of BVOC to surface ozone, starting from zero BVOC emissions. Ozone is produced mainly inland and near NOx sources (>20 ppbv locally) Ozone builds up over the sea, because of its longer lifetime in the marine boundary layer. After 3 days Mediterranean basin is filled up with additional O3 from BVOC Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Ciclo stagionale dell’impatto di BVOC su O3 Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Variabilità interannuale Ondate di calore 2003: il clima che verrà? +2.2 ppbv +2.0 ppbv +2.5 ppbv +2.8 ppbv HEAT-WAVES! Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Gabriele Curci, CETEMPS Impatto BVOC su ozono: dati orari Eventi estremi estate 2003 (ondate di calore) ! Large episodic contribution from BVOC emissions to ozone throughout the Mediterranean basin Up to 100 µg/m3 in one extreme case in Spain! Observations from AirBase database Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Impatto BVOC su ozono: qualità dell’aria ITALY No BVOC With BVOC Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Impatto BVOC su PM10 Generazione di Aerosol Organici Secondari (SOA) PM10 Mean senza BVOC ΔPM10 Mean con BVOC Terpenes contribute most of Secondary Organic Aerosol on continental scale In Spain SOA up to 9 µg/m3, in Greece up to 4 µg/m3 In Southern France, Italy and Eastern Europe 1 µg/m3 NB: L’incertezza sulla modellistica dei PM è molto più grande rispetto all’ozono. Work in progress: collaborazione con B. Bessagnet et al. (INERIS) Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Impatto BVOC ad alta risoluzione sul Mediterraneo Progetto CIRCE (FP6) www.circeproject.eu Il CETEMPS ha l’incarico di Sviluppare un database di emissioni naturali/biogeniche sul periodo 1990-2005 con risoluzione di 0.1°x0.1° sull’area mediterranea Simulazioni modellistiche per valutare l’impatto delle emissioni naturali/biogeniche sulla qualità dell’aria nell’area mediterranea A tal fine: implementazione di MEGAN in Chimere Più aggiornato algoritmo di emissioni di BVOC [Guenther 06] Risoluzione fino a 1 km sul globo Fa parte della prossima versione pubblica del modello Chimere Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Alta risoluzione sul Mediterraneo 0.5°x0.5° 0.1°x0.1° July LAI Isoprene EF Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Emissioni Isoprene ad alta risoluzione sul Mediterraneo Calcolate con MEGAN Meteo : MM5 simulation at 24 km horizontal resolution All input data remapped onto a 0.1°x0.1° grid 0.1°x0.1° Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS [µg/m2/h]

Impatto BVOC su ozono: risoluzione 0.1°x0.1° O3 Max senza BVOC O3 Max con BVOC (MEGAN) ΔO3 ppbv ΔO3 % Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Impatto BVOC su ozono: risoluzione 0.5°x0.5° O3 Max senza BVOC O3 Max con BVOC (MEGAN) ΔO3 ppbv ΔO3 % Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Impatto BVOC su ozono: interazione con brezze? NOx AVOC BVOC BVOC? Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Sviluppi Futuri: progetto QUITSAT (ASI) QUalità dell’aria mediante l’Integrazione di misure da Terra, da SAtellite e di modellistica chimica multifase e di Trasporto Tra i WP del CETEMPS: Elaborare un inventario di emissioni di composti organici volatili sull’Europa tramite inversione di osservazioni satellitari di formaldeide (HCHO) www.quitsat.it Osservazioni ΩHCHO Modello ΩHCHO ↔ EIsoprene Stima emissioni di Isoprene Collaborazione con P. Palmer (Edinburgh) Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Osservazione di Formaldeide (HCHO) da satellite Aerosol SOA RCHO Sole RO2 O3 CO VOC CH4 Volatile Organic Compounds VOC:NOx NO2 NOx ossidi di azoto OH NO Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Gabriele Curci, CETEMPS Referenze Guenther A., et al. (1995), A global model of natural volatile organic compound emissions, J. Geophys. Res., 100(D5), 8873–8892. Guenther A., et al. (2006), Estimates of global terrestrial isoprene emissions using MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature), Atmos. Chem. Phys., 6, 3181-3210. Simpson D., et al. (1999), Inventorying emissions from nature in Europe, J. Geophys. Res., 104(D7), 8113–8152. Curci, G., Beekmann, M., Vautard, R., Smiatek, G., Steinbrecher, R., Pfeiffer, H., Theloke, J., Friedrich, R. (2007), Modelling study of the impact of NatAir isoprene and terpenes emissions on European ozone levels using Chimere chemistry-transport model, Atmospheric Environment, in press Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS

Per chi non ne ha avuto abbastanza … EXTRA SLIDES Per chi non ne ha avuto abbastanza …

Distribuzione % della vegetazione Europea Emission Potential for each PFT [µg/m2/h] BT NT ISOPRENE α-PINENE BT ~ 13000 180 NT ~ 2000 450 SB ~ 11000 200 HB ~ 400 2 SB HB METHANOL NO BT ~ 800 5 NT ~ 800 6 SB ~ 800 30 HB ~ 800 70 Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 4/17/2017 Gabriele Curci, CETEMPS