Fundamentals in air pollution : from processes to modelling

Contents Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Greenhouse Effect, Ozone Hole and Air Quality . . . . . . . . . . 1 BriefHistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Accidents, Impacts and Regulatory Context . . . . . . . . . . . . . 4 A Multiplayer Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Role of Scientific Expertise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Atmospheric Dilemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 BookObjectives andOrganization . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1 Primer for the Atmospheric Composition . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1 Atmospheric Chemical Composition . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.1 Trace Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2 Gases,Aerosols andWaterDrops . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.3 A Few Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.4 Primary and Secondary Species . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2 Atmospheric Vertical Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.1 Atmospheric Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.2 Atmospheric Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.3 Vertical Distribution of Species . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3 Timescales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3.1 Timescales of Atmospheric Transport . . . . . . . . . . . . 30 1.3.2 Atmospheric Residence Time for a Trace Species . . . . . 32 Problems Related to Chap. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2 Atmospheric Radiative Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1 Primer forRadiativeTransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.1.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.1.2 EnergyTransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.1.3 Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.4 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.1.5 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 vii viii Contents 2.1.6 RadiativeTransferEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.7 Additional Facts for Aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.8 Albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.2 Applications to the Earth’s Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.2.1 Solar andTerrestrialRadiation . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.2.2 Radiative Budget for the Earth/Atmosphere System . . . . 68 2.2.3 Greenhouse Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.2.4 Aerosols, Clouds and Greenhouse Effect . . . . . . . . . . 77 2.2.5 Atmospheric Pollution and Visibility . . . . . . . . . . . . 84 Problems Related to Chap. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3 Atmospheric Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1 Meteorological Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2 Atmospheric Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3 Thermal Stratification and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.3.1 A Few Useful Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.3.2 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.3 MoistAir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.3.4 Daily Variation of the ABL Stability . . . . . . . . . . . . 105 3.4 ABL Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.4.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.4.2 Scale Range and Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.4.3 TurbulentKineticEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.4.4 Mixing Height and Turbulence Indicators . . . . . . . . . . 111 3.5 Fundamentals of Atmospheric Dynamics . . . . . . . . . . . . . . 113 3.5.1 Primer for Fluid Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.5.2 ABLFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.6 AFewFacts for theUrbanClimate . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.6.1 Thermal Forcing and Urban Breeze . . . . . . . . . . . . . 125 3.6.2 Energy Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.6.3 UrbanHeat Island . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3.6.4 Urban Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Problems Related to Chap. 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4 Gas-Phase Atmospheric Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.1 Primer for Atmospheric Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.1.1 Background for Chemical Kinetics . . . . . . . . . . . . . 134 4.1.2 Photochemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.1.3 Atmosphere as an Oxidizing Reactor . . . . . . . . . . . . 142 4.1.4 ChemicalLifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.1.5 Validity of Chemical Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . 149 4.2 Stratospheric Chemistry of Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.2.1 Destruction and Production of Stratospheric Ozone . . . . 150 Contents ix 4.2.2 Ozone Destruction Catalyzed by Bromide and Chloride Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.2.3 Antarctic Ozone Hole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 4.3 Tropospheric Chemistry of Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.3.1 BasicFacts forCombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.3.2 Photostationary State of Tropospheric Ozone . . . . . . . . 162 4.3.3 OxidationChainsofVOCs . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.3.4 NOx-Limited Versus VOC-Limited Chemical Regimes . . 165 4.3.5 Emission Reduction Strategies for Ozone Precursors . . . . 167 4.3.6 Example of Photochemical Pollution at the Regional Scale: Case of Île-de-France Region . . . . . . . . . . . . 170 4.3.7 Transcontinental Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.4 Brief Introduction to Indoor Air Quality . . . . . . . . . . . . . . 172 Problems Related to Chap. 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5 Aerosols, Clouds and Rains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.1 Aerosols andParticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.1.1 General Facts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.1.2 Residence Time and Vertical Distribution . . . . . . . . . . 186 5.1.3 Aerosol Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.1.4 Parameterizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.2 Aerosols and Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 5.2.1 Primer for Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 5.2.2 Saturation Vapor Pressure of Water, Relative Humidity andDewPoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 5.2.3 Condensation Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 5.2.4 Mass Transfer Between the Gaseous Phase and Cloud Drops 210 5.3 Acid Rains and Scavenging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 5.3.1 AcidRains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.3.2 Wet Scavenging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Problems Related to Chap. 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 6 Toward Numerical Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.1 Reactive Dispersion Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.1.1 DilutionandOff-LineCoupling . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.1.2 Advection-Diffusion-ReactionEquations . . . . . . . . . . 232 6.1.3 Averaged Models and Closure Schemes . . . . . . . . . . . 234 6.1.4 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 6.1.5 Model Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.2 Fundamentals of Numerical Analysis for Chemistry-Transport Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 6.2.1 Operator Splitting Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 6.2.2 Time IntegrationofChemicalKinetics . . . . . . . . . . . 249 6.2.3 Advection Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 6.3 Numerical Simulation of the General Dynamic Equation for Aerosols (GDE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 x Contents 6.3.1 SizeDistributionRepresentation . . . . . . . . . . . . . . 260 6.3.2 Coagulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 6.3.3 Condensation and Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . 263 6.4 State-of-the-ArtModelingSystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 6.4.1 ForwardSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 6.4.2 Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 6.4.3 Advanced Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 6.4.4 Model-to-Data Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . 274 6.4.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 6.5 Next-Generation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Problems Related to Chap. 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Appendix 1 Units, Constants and Basic Data . . . . . . . . . . . . . . . . 283 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293