Integrated evaluation of indoor particulate exposure. The viepi project

Despite the progress made in recent years, reliable modeling of indoor air quality is still far from being obtained. This requires better chemical characterization of the pollutants and airflow physics included in forecasting tools, for which field observations conducted simultaneously indoors and outdoors are essential. The project “Integrated Evaluation of Indoor Particulate Exposure” (VIEPI) aimed at evaluating indoor air quality and exposure to particulate matter (PM) of humans in workplaces. VIEPI ran from February 2016 to December 2019 and included both numerical simulations and field campaigns carried out in universities and research environments located in urban and non-urban sites in the metropolitan area of Rome (Italy). VIEPI focused on the role played by micrometeorology and indoor airflow characteristics in determining indoor PM concentration. Short-and long-term study periods captured diurnal, weekly, and seasonal variability of airflow and PM concentration. Chemical characterization of PM10, including the determination of elements, ions, elemental carbon, organic carbon, and bioaerosol, was also carried out. Large differences in the composition of PM10 were detected between inside and outside as well as between different periods of the day and year. Indoor PM composition was related to the presence of people, to the season, and to the ventilation regime

Measuring the stability of fundamental constants with a network of clocks

The detection of variations of fundamental constants of the Standard Model would provide us with compelling evidence of new physics, and could lift the veil on the nature of dark matter and dark energy. In this work, we discuss how a network of atomic and molecular clocks can be used to look for such variations with unprecedented sensitivity over a wide range of time scales. This is precisely the goal of the recently launched QSNET project: A network of clocks for measuring the stability of fundamental constants. QSNET will include state-of-the-art atomic clocks, but will also develop next-generation molecular and highly charged ion clocks with enhanced sensitivity to variations of fundamental constants. We describe the technological and scientific aims of QSNET and evaluate its expected performance. We show that in the range of parameters probed by QSNET, either we will discover new physics, or we will impose new constraints on violations of fundamental symmetries and a range of theories beyond the Standard Model, including dark matter and dark energy models

Desorbimento termico di specie inorganiche dal PM

Questo lavoro riguarda l’applicazione di tecniche di desorbimento termico allo studio degli equilibri solido-vapore dei sali inorganici nel PM, allo scopo sia di ricavare informazioni utili alla comprensione degli artefatti di campionamento, sia di verificare l’applicabilità di queste tecniche alla determinazione quantitativa dei contributi secondari e naturali di nitrati e cloruri. La prima fase del lavoro è stata rivolta allo studio del comportamento termico di sali puri (NaNO3, NH4NO3, NaCl, NH4Cl, (NH4)2SO4) e dei materiali di riferimento NIST 1648 e NIST 1649a ed ha riguardato l’applicazione di diverse tecniche analitiche termogravimetriche e cromatografiche (TG, TG-FTIR, TG-MS, HS-GC-MS) per l’individuazione dell’intervallo di temperatura più rappresentativo e condizioni analitiche più idonee alla valutazione delle perdite in peso dei singoli ioni inorganici (NH4+, Cl-, NO3-, SO42-). Successivamente l’attenzione è stata rivolta alla scelta del sistema di riscaldamento più idoneo allo studio di campioni reali di PM. Tale fase dello studio ha portato alla realizzazione di un apposito apparato strumentale che consente un buon controllo delle condizioni sperimentali (temperatura, flusso, umidità) durante il desorbimento ed un facile recupero del campione per l’analisi chimica a valle del desorbimento. L’apparato è costituito da un forno da gas-cromatografia opportunamente modificato e da un portafiltri in acciaio per l’alloggiamento del campione sotto flusso di gas inerte (argon). Per poter esaminare la curva di desorbimento termico dei singoli ioni da campioni reali di PM10, è stato necessario impiegare serie di 8 filtri campionati in parallelo, ciascuno dei quali è stato riscaldato ad una diversa temperatura e quindi analizzato per il contenuto ionico residuo. Le prove effettuate hanno dimostrato che, ad eccezione del SO42- che risulta termicamente stabile fino alla temperatura di 180°C, NH4+, Cl-, NO3- vengono desorbiti in modo significativo nell’intervallo di temperature compreso tra 100 e 180°C. Sorprendentemente, non si sono osservati fenomeni rilevanti di desorbimento termico a temperature inferiori ai 100°C e ciò indica che gli equilibri solido-vapore osservati in questo studio non sono rappresentativi dei processi coinvolti nella fase di campionamento, durante la quale, come ben noto, si osservano rilevanti perdite di NH4+ e NO3- già a temperatura ambiente. Alla temperatura di 180°C, questi ioni vengono desorbiti in modo praticamente quantitativo dal NIST, ma nei campioni reali, alla stessa temperatura, le percentuali di desorbimento di Cl- e NO3- variano in modo decisamente rilevante su base giornaliera. In particolare, essi vengono desorbiti in modo praticamente quantitativo quando non sono presenti quantità apprezzabili di aerosol marino (identificate mediante l’analisi di Na+ e della frazione solubile del Mg++ e mediante l’analisi delle retro-traiettorie [1]), mentre le percentuali desorbite si riducono sensibilmente in presenza di aerosol marino. Questi risultati preliminari, suggeriscono la possibilità di differenziare tra contributi naturali e secondari di Cl- e NO3- mediante analisi di desorbimento termico. Lo ione ammonio viene invece desorbito con una buona efficienza (>90%) anche nei campioni reali. Infine, è stata esaminata l’influenza del tipo di supporto (teflon o quarzo) sulle curve di desorbimento e si è evidenziato come il teflon presenti un’interazione positiva con NH3, che determina una maggiore efficienza di campionamento ed una cinetica di desorbimento del NH4+ più lenta, mentre NO3- e Cl- vengono trattenuti, anche ad elevate temperature, dai filtri in quarzo. [1] C. Perrino, S. Canepari, M. Catrambone, S. Dalla Torre, E. Rantica, T. Sargolini, Atmos. Environ. 43, 4766, (2009)

Desorbimento termico di specie inorganiche dal PM

Questo lavoro riguarda l’applicazione di tecniche di desorbimento termico allo studio degli equilibri solido-vapore dei sali inorganici nel PM, allo scopo sia di ricavare informazioni utili alla comprensione degli artefatti di campionamento, sia di verificare l’applicabilità di queste tecniche alla determinazione quantitativa dei contributi secondari e naturali di nitrati e cloruri. La prima fase del lavoro è stata rivolta allo studio del comportamento termico di sali puri (NaNO3, NH4NO3, NaCl, NH4Cl, (NH4)2SO4) e dei materiali di riferimento NIST 1648 e NIST 1649a ed ha riguardato l’applicazione di diverse tecniche analitiche termogravimetriche e cromatografiche (TG, TG-FTIR, TG-MS, HS-GC-MS) per l’individuazione dell’intervallo di temperatura più rappresentativo e condizioni analitiche più idonee alla valutazione delle perdite in peso dei singoli ioni inorganici (NH4+, Cl-, NO3-, SO42-). Successivamente l’attenzione è stata rivolta alla scelta del sistema di riscaldamento più idoneo allo studio di campioni reali di PM. Tale fase dello studio ha portato alla realizzazione di un apposito apparato strumentale che consente un buon controllo delle condizioni sperimentali (temperatura, flusso, umidità) durante il desorbimento ed un facile recupero del campione per l’analisi chimica a valle del desorbimento. L’apparato è costituito da un forno da gas-cromatografia opportunamente modificato e da un portafiltri in acciaio per l’alloggiamento del campione sotto flusso di gas inerte (argon). Per poter esaminare la curva di desorbimento termico dei singoli ioni da campioni reali di PM10, è stato necessario impiegare serie di 8 filtri campionati in parallelo, ciascuno dei quali è stato riscaldato ad una diversa temperatura e quindi analizzato per il contenuto ionico residuo. Le prove effettuate hanno dimostrato che, ad eccezione del SO42- che risulta termicamente stabile fino alla temperatura di 180°C, NH4+, Cl-, NO3- vengono desorbiti in modo significativo nell’intervallo di temperature compreso tra 100 e 180°C. Sorprendentemente, non si sono osservati fenomeni rilevanti di desorbimento termico a temperature inferiori ai 100°C e ciò indica che gli equilibri solido-vapore osservati in questo studio non sono rappresentativi dei processi coinvolti nella fase di campionamento, durante la quale, come ben noto, si osservano rilevanti perdite di NH4+ e NO3- già a temperatura ambiente. Alla temperatura di 180°C, questi ioni vengono desorbiti in modo praticamente quantitativo dal NIST, ma nei campioni reali, alla stessa temperatura, le percentuali di desorbimento di Cl- e NO3- variano in modo decisamente rilevante su base giornaliera. In particolare, essi vengono desorbiti in modo praticamente quantitativo quando non sono presenti quantità apprezzabili di aerosol marino (identificate mediante l’analisi di Na+ e della frazione solubile del Mg++ e mediante l’analisi delle retro-traiettorie [1]), mentre le percentuali desorbite si riducono sensibilmente in presenza di aerosol marino. Questi risultati preliminari, suggeriscono la possibilità di differenziare tra contributi naturali e secondari di Cl- e NO3- mediante analisi di desorbimento termico. Lo ione ammonio viene invece desorbito con una buona efficienza (>90%) anche nei campioni reali. Infine, è stata esaminata l’influenza del tipo di supporto (teflon o quarzo) sulle curve di desorbimento e si è evidenziato come il teflon presenti un’interazione positiva con NH3, che determina una maggiore efficienza di campionamento ed una cinetica di desorbimento del NH4+ più lenta, mentre NO3- e Cl- vengono trattenuti, anche ad elevate temperature, dai filtri in quarzo. [1] C. Perrino, S. Canepari, M. Catrambone, S. Dalla Torre, E. Rantica, T. Sargolini, Atmos. Environ. 43, 4766, (2009)

Aerosol optical characteristics in the urban area of Rome, Italy, and their impact on the UV index

The impact of the aerosol optical properties on the ultraviolet index (UVI) in the urban area of Rome is investigated in this study. In particular, the influence of aerosol optical depth (AOD) and single scattering albedo (SSA), estimated at the wavelength of 340nm, and of the Ångström exponent, calculated in the range 340-500nm, over a period of 11 years (2010-2020) in the months from March to September are analyzed. The UVI is monitored by a Brewer spectrophotometer, whereas measurements of the direct Sun and diffuse sky irradiances are performed by a co-located PREDE-POM sun-sky radiometer of the ESR/SKYNET network; the aerosol optical properties are obtained by the Skyrad MRIv2 retrieval. A novel method, based on physical principles and easily adaptable to other contexts, is developed to extrapolate the aerosol properties to the UV range during periods when only visible to near-infrared measurements are available. The retrievals from the sun-sky radiometer are consistent with the chemical characterization of urban PM10 (particulate matter 10mm or less in diameter) samples collected during an intensive field campaign held in summer 2011 at the same site (URBan Sustainability Related to Observed and Monitored Aerosol - URBS ROMA). The PM macro components identified during the campaign are grouped in order to evaluate the contribution of the main macro sources (soil, sea, secondary inorganic, organics, and traffic) whose relative role is indeed expected to strongly affect the aerosol absorption capability. The surface forcing efficiency, calculated as the change in the UV index for a unit AOD variation, shows that AOD is the primary parameter affecting the surface irradiance under clear-sky conditions in Rome. SSA and the Ångström exponent are also identified as secondary influencing factors, i.e., the surface forcing efficiency is found to be greater for smaller zenith angles and for larger and more absorbent particles in the UV range (such as, e.g., mineral dust)

Biomass burning contribution to PAHs concentration in the urban area of Rome. Main findings from the LIFE+ EXPAH project and further observations.

The main findings of EU LIFE+ EXPAH project, aimed to assess PAHs exposure and their health effects on the population living in urban areas, are presented. Domestic heating and biomass burning were found to be the main contribution to PAH levels observed in Rome urban area. Introduction Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are a class of complex organic chemicals of increasing concern due to their occurrence in the environment. They are ubiquitous in ambient air and some of them have been identified as carcinogens or suspected carcinogens for human. Domestic heating, mobile sources and vehicles, are the largest contributors of PAHs in highly urbanized areas. Therefore, population living in cities are particularly exposed to these pollutants. The EXPAH project, funded by the EU LIFE+ program, aims to assess the population exposure to PAHs in the city of Rome and the consequent health effects on the inhabitants by means of an integrated approach including measurements, modeling techniques and epidemiologic investigations

Measuring the stability of fundamental constants with a network of clocks

The detection of variations of fundamental constants of the Standard Model would provide us with compelling evidence of new physics, and could lift the veil on the nature of dark matter and dark energy. In this work, we discuss how a network of atomic and molecular clocks can be used to look for such variations with unprecedented sensitivity over a wide range of time scales. This is precisely the goal of the recently launched QSNET project: A network of clocks for measuring the stability of fundamental constants. QSNET will include state-of-the-art atomic clocks, but will also develop next-generation molecular and highly charged ion clocks with enhanced sensitivity to variations of fundamental constants. We describe the technological and scientific aims of QSNET and evaluate its expected performance. We show that in the range of parameters probed by QSNET, either we will discover new physics, or we will impose new constraints on violations of fundamental symmetries and a range of theories beyond the Standard Model, including dark matter and dark energy models