Published August 2, 2016 | Version v1
Publication Open

Variation in global chemical composition of PM<sub>2.5</sub>: emerging results from SPARTAN

Creators

  • 1. Dalhousie University
  • 2. University of Ilorin
  • 3. Vietnam Academy of Science and Technology
  • 4. National University of Singapore
  • 5. University of Toronto
  • 6. Bandung Institute of Technology
  • 7. Tsinghua University
  • 8. Council for Scientific and Industrial Research
  • 9. Goddard Space Flight Center
  • 10. Ateneo de Manila University
  • 11. Manila Observatory
  • 12. Nanjing University
  • 13. Indian Institute of Technology Kanpur
  • 14. Massachusetts Institute of Technology
  • 15. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 16. Institute of Scientific and Technical Research for Defense
  • 17. University of Dhaka
  • 18. Colorado State University
  • 19. Weizmann Institute of Science
  • 20. Emory University
  • 21. University of British Columbia
  • 22. Health Effects Institute
  • 23. University of Maryland, Baltimore County
  • 24. Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian

Description

Abstract. The Surface PARTiculate mAtter Network (SPARTAN) is a long-term project that includes characterization of chemical and physical attributes of aerosols from filter samples collected worldwide. This paper discusses the ongoing efforts of SPARTAN to define and quantify major ions and trace metals found in fine particulate matter (PM2.5). Our methods infer the spatial and temporal variability of PM2.5 in a cost-effective manner. Gravimetrically weighed filters represent multi-day averages of PM2.5, with a collocated nephelometer sampling air continuously. SPARTAN instruments are paired with AErosol RObotic NETwork (AERONET) sun photometers to better understand the relationship between ground-level PM2.5 and columnar aerosol optical depth (AOD).We have examined the chemical composition of PM2.5 at 12 globally dispersed, densely populated urban locations and a site at Mammoth Cave (US) National Park used as a background comparison. So far, each SPARTAN location has been active between the years 2013 and 2016 over periods of 2–26 months, with an average period of 12 months per site. These sites have collectively gathered over 10 years of quality aerosol data. The major PM2.5 constituents across all sites (relative contribution ± SD) are ammoniated sulfate (20 % ± 11 %), crustal material (13.4 % ± 9.9 %), equivalent black carbon (11.9 % ± 8.4 %), ammonium nitrate (4.7 % ± 3.0 %), sea salt (2.3 % ± 1.6 %), trace element oxides (1.0 % ± 1.1 %), water (7.2 % ± 3.3 %) at 35 % RH, and residual matter (40 % ± 24 %).Analysis of filter samples reveals that several PM2.5 chemical components varied by more than an order of magnitude between sites. Ammoniated sulfate ranges from 1.1 µg m−3 (Buenos Aires, Argentina) to 17 µg m−3 (Kanpur, India in the dry season). Ammonium nitrate ranged from 0.2 µg m−3 (Mammoth Cave, in summer) to 6.8 µg m−3 (Kanpur, dry season). Equivalent black carbon ranged from 0.7 µg m−3 (Mammoth Cave) to over 8 µg m−3 (Dhaka, Bangladesh and Kanpur, India). Comparison of SPARTAN vs. coincident measurements from the Interagency Monitoring of Protected Visual Environments (IMPROVE) network at Mammoth Cave yielded a high degree of consistency for daily PM2.5 (r2 = 0.76, slope = 1.12), daily sulfate (r2 = 0.86, slope = 1.03), and mean fractions of all major PM2.5 components (within 6 %). Major ions generally agree well with previous studies at the same urban locations (e.g. sulfate fractions agree within 4 % for 8 out of 11 collocation comparisons). Enhanced anthropogenic dust fractions in large urban areas (e.g. Singapore, Kanpur, Hanoi, and Dhaka) are apparent from high Zn : Al ratios.The expected water contribution to aerosols is calculated via the hygroscopicity parameter κv for each filter. Mean aggregate values ranged from 0.15 (Ilorin) to 0.28 (Rehovot). The all-site parameter mean is 0.20 ± 0.04. Chemical composition and water retention in each filter measurement allows inference of hourly PM2.5 at 35 % relative humidity by merging with nephelometer measurements. These hourly PM2.5 estimates compare favourably with a beta attenuation monitor (MetOne) at the nearby US embassy in Beijing, with a coefficient of variation r2 = 0.67 (n = 3167), compared to r2 = 0.62 when κv was not considered. SPARTAN continues to provide an open-access database of PM2.5 compositional filter information and hourly mass collected from a global federation of instruments.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة. شبكة سطحية (Spartan) هي مشروع طويل الأجل يتضمن توصيف الخصائص الكيميائية والفيزيائية للهباء الجوي من عينات المرشح التي تم جمعها في جميع أنحاء العالم. تناقش هذه الورقة الجهود المستمرة التي يبذلها سبارتان لتحديد وقياس الأيونات الرئيسية والمعادن النزرة الموجودة في الجسيمات الدقيقة (PM2.5). تستنتج طرقنا التباين المكاني والزماني لـ PM2.5 بطريقة فعالة من حيث التكلفة. تمثل المرشحات الموزونة بالجاذبية متوسطات متعددة الأيام من PM2.5، مع وجود هواء مترابط لأخذ عينات من مقياس الكلوة بشكل مستمر. يتم إقران أدوات سبارتن بمقاييس ضوئية شمسية AErosol RObotic NETwork (AERONET) لفهم العلاقة بين المستوى الأرضي PM2.5 والعمق البصري للهباء العمودي (AOD) بشكل أفضل. لقد قمنا بفحص التركيب الكيميائي لـ PM2.5 في 12 موقعًا حضريًا منتشرًا عالميًا ومكتظًا بالسكان وموقعًا في حديقة كهف ماموث الوطنية (الولايات المتحدة) يستخدم كمقارنة خلفية. حتى الآن، كان كل موقع سبارتن نشطًا بين عامي 2013 و 2016 على مدى فترات تتراوح بين 2–26 شهرًا، بمتوسط فترة 12 شهرًا لكل موقع. جمعت هذه المواقع مجتمعة أكثر من 10 سنوات من بيانات الهباء الجوي عالية الجودة. مكونات PM2.5 الرئيسية في جميع المواقع (المساهمة النسبية ± SD) هي كبريتات الأمونيوم (20 ٪ ± 11 ٪)، والمواد القشرية (13.4 ٪ ± 9.9 ٪)، والكربون الأسود المكافئ (11.9 ٪ ± 8.4 ٪)، ونترات الأمونيوم (4.7 ٪ ± 3.0 ٪)، وملح البحر (2.3 ٪ ± 1.6 ٪)، وأكاسيد العناصر النزرة (1.0 ٪ ± 1.1 ٪)، والمياه (7.2 ٪ ± 3.3 ٪) عند 35 ٪ رطوبة نسبية، والمادة المتبقية (40 ٪ ± 24 ٪). يكشف تحليل عينات المرشح أن العديد من المكونات الكيميائية PM2.5 تختلف بأكثر من ترتيب الحجم بين المواقع. تتراوح كبريتات الأمونيوم من 1.1 ميكروغرام متر مكعب (بوينس آيرس، الأرجنتين) إلى 17 ميكروغرام مترمكعب (كانبور، الهند في موسم الجفاف). تراوحت نترات الأمونيوم من 0.2 ميكروغرام مترمكعب (كهف الماموث، في الصيف) إلى 6.8 ميكروغرام مترمكعب (كانبور، موسم الجفاف). تراوح الكربون الأسود المكافئ من 0.7 ميكروغرام متر مكعب (كهف الماموث) إلى أكثر من 8 ميكروغرام متر مكعب (دكا، بنغلاديش وكانبور، الهند). أسفرت مقارنة القياسات المتقاربة مقابل المتزامنة من شبكة المراقبة المشتركة بين الوكالات للبيئات البصرية المحمية (PREVENT) في كهف الماموث عن درجة عالية من الاتساق لـ PM2.5 اليومي (r2 = 0.76، المنحدر = 1.12)، الكبريتات اليومية (r2 = 0.86، المنحدر = 1.03)، ومتوسط الكسور لجميع مكونات PM2.5 الرئيسية (في حدود 6 ٪). تتوافق الأيونات الرئيسية عمومًا بشكل جيد مع الدراسات السابقة في نفس المواقع الحضرية (على سبيل المثال، تتوافق كسور الكبريتات في حدود 4 ٪ لـ 8 من أصل 11 مقارنة تجميعية). تظهر كسور الغبار المعززة البشرية المنشأ في المناطق الحضرية الكبيرة (مثل سنغافورة وكانبور وهانوي وداكا) من نسب Zn : Al المرتفعة. يتم حساب مساهمة المياه المتوقعة في الهباء الجوي عبر معلمة الاسترطاب κv لكل مرشح. تراوح متوسط قيم الركام من 0.15 (Ilorin) إلى 0.28 (Rehovot). متوسط معلمة كل الموقع هو 0.20 ± 0.04. يسمح التركيب الكيميائي واحتباس الماء في كل قياس مرشح باستدلال PM2.5 في الساعة عند رطوبة نسبية 35 ٪ عن طريق الدمج مع قياسات مقياس كريات الدم البيضاء. تقارن هذه التقديرات PM2.5 لكل ساعة بشكل إيجابي مع مراقب توهين بيتا (MetOne) في السفارة الأمريكية القريبة في بكين، مع معامل تباين r2 = 0.67 (n = 3167)، مقارنة بـ r2 = 0.62 عندما لم يتم النظر في κv. تواصل SPARTAN توفير قاعدة بيانات مفتوحة الوصول لمعلومات المرشح التركيبية PM2.5 والكتلة في الساعة التي تم جمعها من اتحاد عالمي للأدوات.

Translated Description (French)

Résumé. Le Surface PARTiculate mAtter Network (SPARTAN) est un projet à long terme qui comprend la caractérisation des attributs chimiques et physiques des aérosols à partir d'échantillons de filtres collectés dans le monde entier. Cet article traite des efforts en cours de SPARTAN pour définir et quantifier les principaux ions et métaux traces présents dans les particules fines (PM2,5). Nos méthodes infèrent la variabilité spatiale et temporelle des PM2,5 de manière rentable. Les filtres pesés gravimétriquement représentent des moyennes sur plusieurs jours de PM2,5, avec un néphélomètre colocalisé échantillonnant l'air en continu. Les instruments SPARTAN sont associés à des photomètres solaires AERONET (AErosol RObotic NETwork) pour mieux comprendre la relation entre les PM2,5 au niveau du sol et la profondeur optique des aérosols en colonne (AOD). Nous avons examiné la composition chimique des PM2,5 dans 12 sites urbains densément peuplés et dispersés dans le monde et un site du parc national de Mammoth Cave (États-Unis) utilisé comme comparaison de fond. Jusqu'à présent, chaque site SPARTIATE a été actif entre 2013 et 2016 sur des périodes de 2 à 26 mois, avec une période moyenne de 12 mois par site. Ces sites ont collectivement rassemblé plus de 10 ans de données sur les aérosols de qualité. Les principaux constituants des PM2,5 sur tous les sites (contribution relative ± ET) sont le sulfate ammoniacal (20 % ± 11 %), le matériau crustal (13,4 % ± 9,9 %), le carbone noir équivalent (11,9 % ± 8,4 %), le nitrate d'ammonium (4,7 % ± 3,0 %), le sel de mer (2,3 % ± 1,6 %), les oxydes d'oligo-éléments (1,0 % ± 1,1 %), l'eau (7,2 % ± 3,3 %) à 35 % HR et la matière résiduelle (40 % ± 24 %). L'analyse des échantillons de filtre révèle que plusieurs composants chimiques des PM2,5 variaient de plus d'un ordre de grandeur entre les sites. Le sulfate ammoniacal varie de 1,1 µg m−3 (Buenos Aires, Argentine) à 17 µg m−3 (Kanpur, Inde en saison sèche). Le nitrate d'ammonium variait de 0,2 µg m−3 (Mammoth Cave, en été) à 6,8 µg m−3 (Kanpur, saison sèche). Le carbone noir équivalent variait de 0,7 µg m−3 (Mammoth Cave) à plus de 8 µg m−3 (Dhaka, Bangladesh et Kanpur, Inde). La comparaison des mesures SPARTAN et coïncidentes du réseau Interagency Monitoring of Protected Visual Environments (IMPROVE) à Mammoth Cave a donné un degré élevé de cohérence pour les PM2,5 quotidiennes (r2 = 0,76, pente = 1,12), le sulfate quotidien (r2 = 0,86, pente = 1,03) et les fractions moyennes de tous les principaux composants des PM2,5 (à moins de 6 %). Les ions majeurs sont généralement bien d'accord avec les études précédentes dans les mêmes zones urbaines (par exemple, les fractions de sulfate sont d'accord à 4 % près pour 8 comparaisons de collocation sur 11). Des fractions de poussière anthropiques améliorées dans les grandes zones urbaines (par exemple Singapour, Kanpur, Hanoi et Dhaka) sont apparentes à partir de rapports Zn : Al élevés. La contribution attendue de l'eau aux aérosols est calculée via le paramètre d'hygroscopicité κv pour chaque filtre. Les valeurs agrégées moyennes variaient de 0,15 (Ilorin) à 0,28 (Rehovot). La moyenne des paramètres sur tous les sites est de 0,20 ± 0,04. La composition chimique et la rétention d'eau dans chaque mesure du filtre permettent d'inférer les PM2,5 horaires à 35 % d'humidité relative en fusionnant avec les mesures du néphélomètre. Ces estimations horaires des PM2,5 se comparent favorablement à un moniteur d'atténuation bêta (MetOne) à l'ambassade américaine voisine à Pékin, avec un coefficient de variation r2 = 0,67 (n = 3167), comparé à r2 = 0,62 lorsque κv n'a pas été pris en compte. SPARTAN continue de fournir une base de données en libre accès des informations sur les filtres de composition des PM2,5 et la masse horaire collectées auprès d'une fédération mondiale d'instruments.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Surface PARTiculate mAtter Network (SPARTAN) es un proyecto a largo plazo que incluye la caracterización de los atributos químicos y físicos de los aerosoles a partir de muestras de filtros recogidos en todo el mundo. Este documento analiza los esfuerzos en curso de SPARTAN para definir y cuantificar los principales iones y metales traza que se encuentran en las partículas finas (PM2.5). Nuestros métodos infieren la variabilidad espacial y temporal de PM2.5 de una manera rentable. Los filtros pesados gravimétricamente representan promedios de varios días de PM2.5, con un nefelómetro colocado que muestrea el aire continuamente. Los instrumentos SPARTAN se combinan con los fotómetros solares AErosol RObotic NETwork (AERONET) para comprender mejor la relación entre las PM2.5 a nivel del suelo y la profundidad óptica de aerosol columnar (AOD). Hemos examinado la composición química de las PM2.5 en 12 ubicaciones urbanas densamente pobladas y dispersas a nivel mundial y un sitio en el Parque Nacional Mammoth Cave (EE. UU.) utilizado como comparación de fondo. Hasta ahora, cada ubicación de SPARTAN ha estado activa entre los años 2013 y 2016 durante períodos de 2 a 26 meses, con un período promedio de 12 meses por sitio. Estos sitios han recopilado colectivamente más de 10 años de datos de calidad sobre aerosoles. Los principales constituyentes de PM2.5 en todos los sitios (contribución relativa ± SD) son sulfato amoniacal (20 % ± 11 %), material de corteza (13.4 % ± 9.9 %), carbono negro equivalente (11.9 % ± 8.4 %), nitrato de amonio (4.7 % ± 3.0 %), sal marina (2.3 % ± 1.6 %), óxidos de oligoelementos (1.0 % ± 1.1 %), agua (7.2 % ± 3.3 %) a 35 % de HR y materia residual (40 % ± 24 %). El análisis de muestras de filtros revela que varios componentes químicos de PM2.5 variaron en más de un orden de magnitud entre sitios. El sulfato amoniacal oscila entre 1,1 µg m−3 (Buenos Aires, Argentina) y 17 µg m−3 (Kanpur, India en la estación seca). El nitrato de amonio osciló entre 0,2 µg m−3 (Mammoth Cave, en verano) y 6,8 µg m−3 (Kanpur, estación seca). El carbono negro equivalente varió de 0.7 µg m−3 (Mammoth Cave) a más de 8 µg m−3 (Dhaka, Bangladesh y Kanpur, India). La comparación de mediciones SPARTAN versus coincidentes de la red de Monitoreo Interagencial de Entornos Visuales Protegidos (IMPROVE) en Mammoth Cave produjo un alto grado de consistencia para PM2.5 diarias (r2 = 0.76, pendiente = 1.12), sulfato diario (r2 = 0.86, pendiente = 1.03) y fracciones medias de todos los componentes principales de PM2.5 (dentro del 6%). Los iones principales generalmente concuerdan bien con estudios previos en las mismas ubicaciones urbanas (por ejemplo, las fracciones de sulfato concuerdan dentro del 4 % para 8 de 11 comparaciones de colocación). Las fracciones de polvo antropogénicas mejoradas en grandes áreas urbanas (por ejemplo, Singapur, Kanpur, Hanoi y Daca) son evidentes a partir de altas proporciones de Zn : Al. La contribución esperada de agua a los aerosoles se calcula a través del parámetro de higroscopicidad κv para cada filtro. Los valores agregados medios oscilaron entre 0,15 (Ilorin) y 0,28 (Rehovot). La media de todos los parámetros del sitio es 0.20 ± 0.04. La composición química y la retención de agua en cada medición del filtro permiten inferir PM2.5 por hora a una humedad relativa del 35% mediante la fusión con las mediciones del nefelómetro. Estas estimaciones de PM2.5 por hora se comparan favorablemente con un monitor de atenuación beta (MetOne) en la cercana embajada de los Estados Unidos en Beijing, con un coeficiente de variación r2 = 0.67 (n = 3167), en comparación con r2 = 0.62 cuando no se consideró κv. SPARTAN continúa proporcionando una base de datos de acceso abierto de información de filtros de composición de PM2.5 y masa horaria recopilada de una federación global de instrumentos.

Files

acp-16-9629-2016.pdf.pdf

Files (2.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:7e5e4c50857936e6a53eaa00afee0386
2.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التباين في التركيب الكيميائي العالمي لـ PM <sub>2.5 </ sub>: النتائج الناشئة من SPARTAN
Translated title (French)
Variation de la composition chimique globale des PM&lt ; sub&gt ;2.5</sub&gt ; : résultats émergents de SPARTAN
Translated title (Spanish)
Variación en la composición química global de PM< sub>2.5</sub>: resultados emergentes de SPARTAN

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2282978695
DOI
10.5194/acp-16-9629-2016

Is supplement to
https://openalex.org/W4244409628 (Other)
https://openalex.org/W4230526643 (Other)
https://openalex.org/W2270778661 (Other)
https://openalex.org/W2126508018 (Other)
https://openalex.org/W2087367014 (Other)
https://openalex.org/W2045766825 (Other)
https://openalex.org/W2002430136 (Other)
https://openalex.org/W1987933006 (Other)
https://openalex.org/W1967584785 (Other)
https://openalex.org/W1963621646 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Bangladesh

References

  • https://openalex.org/W1485075767
  • https://openalex.org/W1493603917
  • https://openalex.org/W1684439340
  • https://openalex.org/W1929937058
  • https://openalex.org/W1965571022
  • https://openalex.org/W1966352850
  • https://openalex.org/W1966427227
  • https://openalex.org/W1970486901
  • https://openalex.org/W1972322328
  • https://openalex.org/W1972816196
  • https://openalex.org/W1975964212
  • https://openalex.org/W1976991085
  • https://openalex.org/W1979799510
  • https://openalex.org/W1980026409
  • https://openalex.org/W1981204350
  • https://openalex.org/W1983210240
  • https://openalex.org/W1983582928
  • https://openalex.org/W1985190732
  • https://openalex.org/W1987337512
  • https://openalex.org/W1988268318
  • https://openalex.org/W1991420765
  • https://openalex.org/W1996163782
  • https://openalex.org/W1997389863
  • https://openalex.org/W2008518698
  • https://openalex.org/W2010123623
  • https://openalex.org/W2010821940
  • https://openalex.org/W2012893365
  • https://openalex.org/W2015228659
  • https://openalex.org/W2021078440
  • https://openalex.org/W2025356510
  • https://openalex.org/W2029401079
  • https://openalex.org/W2033171012
  • https://openalex.org/W2039294701
  • https://openalex.org/W2044247360
  • https://openalex.org/W2045803704
  • https://openalex.org/W2053646993
  • https://openalex.org/W2057392978
  • https://openalex.org/W2060324658
  • https://openalex.org/W2062322168
  • https://openalex.org/W2063175401
  • https://openalex.org/W2064433844
  • https://openalex.org/W2064512920
  • https://openalex.org/W2069897217
  • https://openalex.org/W2073340285
  • https://openalex.org/W2073604092
  • https://openalex.org/W2074749767
  • https://openalex.org/W2075858055
  • https://openalex.org/W2078322789
  • https://openalex.org/W2083634727
  • https://openalex.org/W2083988711
  • https://openalex.org/W2084103053
  • https://openalex.org/W2089433206
  • https://openalex.org/W2090091657
  • https://openalex.org/W2095230982
  • https://openalex.org/W2096743546
  • https://openalex.org/W2099636727
  • https://openalex.org/W2102042448
  • https://openalex.org/W2103575397
  • https://openalex.org/W2104008307
  • https://openalex.org/W2104515124
  • https://openalex.org/W2107656403
  • https://openalex.org/W2111369201
  • https://openalex.org/W2120771020
  • https://openalex.org/W2121539051
  • https://openalex.org/W2124554006
  • https://openalex.org/W2126400186
  • https://openalex.org/W2136263769
  • https://openalex.org/W2136633647
  • https://openalex.org/W2136804601
  • https://openalex.org/W2138106329
  • https://openalex.org/W2138858340
  • https://openalex.org/W2139407433
  • https://openalex.org/W2141180304
  • https://openalex.org/W2142288121
  • https://openalex.org/W2144923407
  • https://openalex.org/W2144954710
  • https://openalex.org/W2150404704
  • https://openalex.org/W2156882832
  • https://openalex.org/W2157459992
  • https://openalex.org/W2158779569
  • https://openalex.org/W2158989459
  • https://openalex.org/W2161483891
  • https://openalex.org/W2161807432
  • https://openalex.org/W2162214076
  • https://openalex.org/W2162285843
  • https://openalex.org/W2164125317
  • https://openalex.org/W2167549439
  • https://openalex.org/W2169288626
  • https://openalex.org/W2176003520
  • https://openalex.org/W2294362895
  • https://openalex.org/W2320801497
  • https://openalex.org/W2898890166
  • https://openalex.org/W3028775535
  • https://openalex.org/W3143437408
  • https://openalex.org/W4246953547
  • https://openalex.org/W849600419