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Transport of microplastics in the atmosphere
from emission sources to deposition sinks
Ioanna Evangelou
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Meteorologie
Betreuer*in
Andreas Stohl
DOI
10.25365/thesis.81037
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18672.55228.635671-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In den letzten Jahren hat der Verbrauch von Kunststoffen dramatisch zugenommen. Mikroplastik (MP), das für bestimmte Zwecke hergestellt wird oder durch die Fragmentierung und den Abbau größerer Kunststoffteile (Makroplastik) in der Umwelt entsteht, kann schädliche Auswirkungen auf die Biota und die Umwelt haben. MPs gelten als Luftschadstoffe, deren Emissionsquellen noch nicht ausreichend untersucht sind, da die gemeldeten Emissionen um Größenordnungen variieren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Abschätzung der MP-Emissionen und deren Transport in der Atmosphäre sowie auf die Abstimmung der verfügbaren MP-Messungen (atmosphärisch, Ablagerung) mit den Emissionen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich die Resuspension von MP in kahlen Bodenregionen und ihren atmosphärischen Transport nach der Emission. Ich parametrisiere die Resuspension unter Verwendung der verfügbaren Messungen des MP-Gehalts in Böden und der Informationen über die Anreicherung von MP in der Luft während der äolischen Abrasion. Das Mineralstaubmobilisierungsschema FLEXDUST wird verwendet, um den induzierten MP-Fluss während der Staubresuspension zu schätzen. Unter Verwendung dieser MP-Flüsse als Eingabe für das Lagrange-Partikeldispersionsmodell FLEXPART simuliere ich den atmosphärischen Transport und die Ablagerung von MP für kugelförmige und faserige Partikel. Die Emissionsunsicherheiten werden mit einem Monte-Carlo-Ansatz geschätzt, wobei die Parametrisierungsfaktoren variiert werden. Ich stelle fest, dass kahle Böden in Westasien und Nordafrika die wichtigsten MP-Emissionsquellen sind. Fasern, die effizienter transportiert werden als Kugeln, werden hauptsächlich in der Nähe der Quellen (zu etwa 70%) auf Land abgelagert; diese Partikel können jedoch auch in abgelegenen Regionen wie der Arktis und der Antarktis abgelagert werden. Im zweiten Teil schätze ich die MP-Emissionen für die verkehrsbezogenen Quellen (Reifen- und Bremsverschleiß, polymermodifiziertes Bitumen und Straßenmarkierungen). Diese Emissionen werden verwendet, um die atmosphärische Häufigkeit von eisnukleierenden MP in Mischphasen- und Zirruswolken zu schätzen. Im dritten Teil dieser Arbeit nutze ich die verfügbaren Messungen der atmosphärischen Feinstaubkonzentration, um Erkenntnisse über das Ausmaß der Feinstaubemissionen in die Atmosphäre zu gewinnen. Ich sammle Messungen der atmosphärischen Feinstaubkonzentration und -ablagerung, unterscheide sie geografisch und führe FLEXPART-Simulationen im Rückwärtsmodus von jedem Messort aus durch, um die Beziehungen zwischen Quelle und Rezeptor zu untersuchen. Ich koppele die Simulationsergebnisse mit drei Emissionsschätzungen, zwei häufig verwendeten Top-Down-Schätzungen und einer selbst erstellten Bottom-Up-Schätzung (unter Verwendung der im ersten Teil geschätzten Emissionen aus nacktem Boden und der im zweiten Teil geschätzten verkehrsbedingten Emissionen), mit quellenspezifischen Größenverteilungen, um die simulierten atmosphärischen MP-Konzentrationen und Ablagerungen zu erhalten. Die simulierten Werte werden so angepasst, dass sie dem gemessenen Größenbereich für jede Messung entsprechen, und die größenangepassten simulierten Werte werden mit den gesammelten Messungen global, über Land und über dem Ozean verglichen. Ich zeige, dass die gemessene mittlere Konzentration über dem Ozean 0.003 Partikel m−3 und über dem Land 0.08 Partikel m−3 beträgt und dass die mittlere Konzentration und Ablagerung global um zwei bis vier Größenordnungen überschätzt werden. Ich bemühe mich weiterhin, die Bottom-up-Emissionen über Land und über dem Ozean in einem einfachen Ansatz auf der Grundlage der gemessenen mittleren Konzentrationen zu skalieren. Die gesamten globalen Emissionen über Land werden um drei Größenordnungen reduziert und sind eine Größenordnung größer als die entsprechenden Emissionen über dem Ozean. Das Gegenteil trifft auf die Massenemissionen zu, was auf eine hohe Empfindlichkeit der zugrunde liegenden Emissionsgrößenverteilungen hinweist, die in zukünftigen Studien untersucht werden sollte. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Erstellung eines Resuspensionsschemas für MP in kahlen Böden, zur Erstellung eines ersten Datensatzes zur Messung von MP in der Atmosphäre und zur Schaffung einer Grundlage für die korrekte Validierung von MP-Modellen mit Daten, um den atmosphärischen Kreislauf von MP besser zu verstehen.
Abstract
(Englisch)
In recent years, plastic usage has increased dramatically. Microplastics (MPs), which are manufactured for specific purposes or created from the fragmentation and degradation of larger plastic items (macroplastics) in the environment, can have harmful impacts on biota and the environment. MPs are considered an atmospheric pollutant not yet well investigated in terms of emission sources, as the reported emissions vary by orders of magnitude. This thesis focuses on the estimation of the MP emissions and their transport in the atmosphere, as well as on the reconciliation of available MP measurements (atmospheric, deposition) with the emissions. In the first part of this thesis, I investigate the resuspension of MPs in bare soil regions and their atmospheric transport after emission. I parameterize the resuspension utilizing the available measurements of MP content in soils and the information on the enrichment of MPs in the air during aeolian abrasion. The mineral dust mobilization scheme FLEXDUST is used to estimate the induced MP flux during dust resuspension. Using these MP fluxes as input to the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART, I simulate the atmospheric transport and deposition of MPs for spherical and fibrous particles. The emissions uncertainties are estimated with a Monte Carlo approach, varying the parametrization factors. I find that bare soils in West Asia and North Africa are the most important MP emission sources. Fibers, which are transported more efficiently than spheres, are mainly deposited on land close to the sources (around 70%); however, these particles can also be deposited in remote regions, such as the Arctic and Antarctica. In the second part, I estimate the MP emissions for the traffic-related sources (tyre and brake wear, polymer-modified bitumen, and road markings). These emissions are used to estimate the atmospheric abundance of ice-nucleating MPs in mixed-phase and cirrus clouds. In the third part of this thesis, I leverage the available atmospheric MP measurements to gain insight into the atmospheric MP emission magnitude. I collect atmospheric MP concentration and deposition measurements, differentiate them geographically, and run FLEXPART simulations in backward mode from each measurement location to investigate the source-receptor relationships. I couple the simulation output with three emission estimates, two highly used top-down and one self-compiled bottom-up (using also the bare soil emissions estimated in the first part and the traffic-related emissions estimated in the second part), with source-specific size distributions to get the simulated atmospheric MP concentrations and depositions. The simulated values are aligned to correspond to the measured size range for each measurement, and the size-aligned simulated values are compared with the collected measurements globally, over land, and over ocean. I demonstrate that the measured median concentration over the ocean is 0.003 particles m−3 and over the land 0.08 particles m−3, and that the median concentration and deposition are overestimated by two to four orders of magnitude globally. I further endeavor to scale the bottom-up emissions over land and over the ocean in a simple approach based on the median measured concentrations. The total global land-based number emissions are reduced by three orders of magnitude and are one order of magnitude larger than the respective oceanic number emissions. The contrary is true for the mass emissions, indicating a high sensitivity in the underlying emission size distributions, which should be investigated in future studies. This thesis contributes to the establishment of a resuspension scheme for MP in bare soils, the creation of a first atmospheric MP measurement dataset, and a foundation for the correct validation of MP models with data to better understand the atmospheric cycle of MPs.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikroplastik atmosphärischer Transport FLEXPART atmosphärische Messung Atmosphärenemissionen Mineralstaub Polymer kahler Boden
Schlagwörter
(Englisch)
microplastic atmospheric transport FLEXPART atmospheric measurement atmospheric emission mineral dust polymer bare soil
Autor*innen
Ioanna Evangelou
Haupttitel (Englisch)
Transport of microplastics in the atmosphere
Hauptuntertitel (Englisch)
from emission sources to deposition sinks
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
v, 131 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Markus Holzner ,
Bernadette Rosati
AC Nummer
AC17797667
Utheses ID
79154
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 415 |