Emissioni Biogeniche di Composti Organici Volatili Modellistica e

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

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Sommario o o Ruolo dei VOC in atmosfera m Formazione di ozono e particolato secondario (SOA) m Budget, misure e modellistica m Risultati progetto Nat. Air Emissioni biogeniche Impatto su Ozono e PM 10 a scala Europea Impatto ad alta risoluzione m Progetto CIRCE Implementazione MEGAN in Chimere m Progetto QUITSAT: stima emissioni BVOC da satellite m o Sviluppi futuri Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 2

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Ruolo dei VOC in atmosfera Potere ossidante o autopulente dell’atmosfera (OH) • Clima Aerosol • Qualità dell’aria RCHO SOA Radiazione (SOA) Volatile Organic Compounds RO 2 CO O 3 VOC : NO NO 2 x VOC CH 4 Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Sole OH Gabriele Curci, CETEMPS NO NOx ossidi di azoto 3

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Budget emissioni VOC: bio vs antro 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 - - Species VOC: NOx BVOC: AVOC ratio Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Rural Urban Gabriele Curci, CETEMPS Ozone and SOA formation 4

Distribuzione emissioni VOC: bio vs antro Bio 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 5

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità I VOC sono emessi da alberi, erba, cespugli, etc. Sono un prodotto della loro attività vitale Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 6

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 7

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 8

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Modellistica delle emissioni di BVOC E = E 0 LAI T AGE PAR Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 9

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Modelli di Chimica e Trasporto (CTM) Possono servire a stimare l’impatto di BVOC su O 3 e PM 10 EMISSIONI Antro: NOx, SO 2, CO, NMVOC, NH 3, PM, BC, OC, POPs Bio: isoprene, terpeni, NO Altre: BB, vulcani METEO MM 5/ECMWF • Grid FDDA • MRF PBL • Noah soil model • Reisner 2 micro. LAND USE: GLCF Chimere V 200709 A • Avvezione/diffusione • Convezione • Chimica gas & aero • BC, OC • SOA • Windblown dust • Sea salt DMS BOUNDARY CONDITIONS Gas: LMDz-INCA, Aerosol: GOCART (mensile) GEOS-Chem (oraria) Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Mappa Ozono 10 x 10 km 2 Modello sviluppato presso: IPSL, LISA, INERIS (Parigi) Gabriele Curci, CETEMPS 10

Nat. Air project (FP 6) 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Natural and Biogenic Emissions and Assessment of Impacts on Air Quality o o o 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: m m m 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 11

Impatto BVOC su ozono: estate 2001 ΔO 3 Max con BVOC 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità O 3 Max senza BVOC • ΔO 3 medio: ~2. 5 ppbv (5%) • Nord EU: 42 -54 ppbv • Portogallo: >15 ppbv (30%) • Sud EU: 46 -66 ppbv • ΔO 3 SUD > ΔO 3 NORD • Po valley: >70 ppbv Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 • Impatto maggiore vicino città (emissioni NOx) Gabriele Curci, • In Scandinvia prevale ozonolisi CETEMPS 12 dei terpeni

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Evoluzione della produzione di O 3 da BVOC Animation of hourly contribution of BVOC to surface ozone, starting from zero BVOC emissions. Ozone is produced mainly inland 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 O 3 from BVOC Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 13

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Ciclo stagionale dell’impatto di BVOC su O 3 Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 14

Variabilità interannuale Ondate di calore 2003: il clima che verrà? 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità +2. 2 ppbv +2. 5 ppbv Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 +2. 0 ppbv +2. 8 ppbv Gabriele Curci, CETEMPS HEAT-WAVES! 15

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità 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/m 3 in one extreme case in Spain! Observations from Air. Base database Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 16

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Impatto BVOC su ozono: qualità dell’aria ITALY No BVOC With BVOC Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 17

Impatto BVOC su PM 10 Generazione di Aerosol Organici Secondari (SOA) 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità PM 10 Mean senza BVOC ΔPM 10 Mean con BVOC Terpenes contribute most of Secondary Organic Aerosol on continental scale In Spain SOA up to 9 µg/m 3, in Greece up to 4 µg/m 3 In Southern France, Italy and Eastern Europe 1 µg/m 3 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 18

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Impatto BVOC ad alta risoluzione sul Mediterraneo Progetto CIRCE (FP 6) www. circeproject. eu o Il CETEMPS ha l’incarico di m m o Sviluppare un database di emissioni naturali/biogeniche sul periodo 1990 -2005 con risoluzione di 0. 1°x 0. 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 m m m 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 19

0. 1°x 0. 1° July LAI 0. 5°x 0. 5° Isoprene EF 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Alta risoluzione sul Mediterraneo Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 20

Emissioni Isoprene ad alta risoluzione sul Mediterraneo Calcolate con MEGAN 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Meteo : MM 5 simulation at 24 km horizontal resolution All input data remapped onto a 0. 1°x 0. 1° grid 0. 1°x 0. 1° Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele[µg/m Curci, 2/h] CETEMPS 21

Impatto BVOC su ozono: risoluzione 0. 1°x 0. 1° 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità O 3 Max senza BVOC O 3 Max con BVOC (MEGAN) ΔO 3 % ΔO 3 ppbv Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 22

Impatto BVOC su ozono: risoluzione 0. 5°x 0. 5° 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità O 3 Max senza BVOC O 3 Max con BVOC (MEGAN) ΔO 3 % ΔO 3 ppbv Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 23

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Impatto BVOC su ozono: interazione con brezze? NOx BVOC AVOC BVOC? Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 24

Sviluppi Futuri: progetto QUITSAT (ASI) 5 anni di Eccellenza al servizio della comunità o o 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: m 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, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 25

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Osservazione di Formaldeide (HCHO) da satellite Aerosol SOA RCHO Volatile Organic Compounds RO 2 CO O 3 VOC : NO NO 2 x VOC CH 4 Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Sole OH Gabriele Curci, CETEMPS NO NOx ossidi di azoto 26

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Referenze o o Guenther A. , et al. (1995), A global model of natural volatile organic compound emissions, J. Geophys. Res. , 100(D 5), 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(D 7), 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 Nat. Air isoprene and terpenes emissions on European ozone levels using Chimere chemistry-transport model, Atmospheric Environment, in press Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 27

EXTRA SLIDES o Per chi non ne ha avuto abbastanza …

5 anni di Eccellenza al servizio della comunità Distribuzione % della vegetazione Europea Emission Potential for each PFT [µg/m 2/h] BT NT SB HB ISOPRENE α-PINENE BT ~ 13000 180 NT ~ 2000 450 SB ~ 11000 200 HB ~ 400 2 METHANOL BT ~ 800 NT ~ 800 SB ~ 800 HB ~ 800 NO 5 6 30 70 Emissioni Biogeniche di VOC L’Aquila, 10/30/2020 Gabriele Curci, CETEMPS 29