Έκθεση υποομάδων πληθυσμού σε αέρια σωματιδιακή ρύπανση. Συμμετοχή πηγών και συγκεντρώσεων σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους

Abstract

The aim of the present thesis is to study the Athens population exposure to particulate matter of indoor and outdoor origin. The research effort was completed in two stages. Initially, an extensive measurement campaign was designed and executed, in order to characterize the particle concentration levels (PM10, PM2.5 and ultrafine particles, as well as selected constituents) in different microenvironments. Indoor and outdoor measurements were conducted at residences, offices and school rooms, situated in regions with different characteristics of urbanization and traffic density. The results showed significant concentration levels for all three size fractions, both indoors and outdoors. At a next stage, exposure to particles of outdoor origin was estimated, through the calculation of the particles infiltration factor. The infiltration factor (FINF) (that is the fraction of outdoor particles that infiltrate in the indoor environment) is defined by three parameters: air exchange rate (α), penetration efficiency (P) and deposition rate (k). The estimation of the last two parameters presents great difficulties and has been the motive for a series of recent research works. During the present study, the different methodologies on the calculation of FINF were examined. Following a detailed analysis of the possibilities and restrictions of each one, two methodologies were selected and applied. The first one uses the dynamic form of the mass balance equation. The input data, for the application and validation of the model, were continuous data of indoor and outdoor concentrations and air exchange rate. The final result of the model application was a database for the unknown parameters P, k (and thus the infiltration factor, FINF), for the three size fractions. The second methodology uses specific PM constituents as markers of particles infiltration. A mean value of the infiltration factor is calculated by the use of indoor and outdoor concentration data of the selected chemical species. The use of particulate sulphate (SO42- ) and elemental carbon (EC) as markers for PM2.5 was examined. The final results, from the application and validation of this methodology, suggest that EC is the most suitable marker for PM2.5 in the Athens area.

Στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της έκθεσης του πληθυσμού της Αθήνας σε αιωρούμενα σωματίδια εσωτερικής και εξωτερικής προέλευσης. Αρχικά σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα εκτεταμένο πρόγραμμα μετρήσεων, για τον χαρακτηρισμό των επιπέδων συγκέντρωσης αιωρουμένων σωματιδίων (PM10, PM2,5 και υπερλεπτόκοκκα σωματίδια, καθώς και επιμέρους συστατικών τους) σε διαφορετικά μικρο-περιβάλλοντα. Μελετήθηκαν εσωτερικοί και εξωτερικοί χώροι κατοικιών, γραφείων και σχολικών μονάδων, σε περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά αστικοποίησης και κυκλοφοριακής έντασης. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν σημαντικά επίπεδα συγκέντρωσης και των τριών σωματιδιακών κλασμάτων, στους εσωτερικούς χώρους και στην εξωτερική ατμόσφαιρα. Σε ένα δεύτερο στάδιο, επιχειρήθηκε η εκτίμηση της έκθεσης σε σωματίδια εξωτερικής προέλευσης, μέσω μεθοδολογίας υπολογισμού του συντελεστή διείσδυσης των σωματιδίων. Ο συντελεστής διείσδυσης (FINF) (δηλαδή το κλάσμα των σωματιδίων της εξωτερικής ατμόσφαιρας που διεισδύει σε εσωτερικούς χώρους) είναι δυνατόν να υπολογιστεί με δεδομένες τις παραμέτρους: ρυθμός εξαερισμού (α), ικανότητα διείσδυσης (P) και ρυθμός εναπόθεσης (k). Η εκτίμηση των τελευταίων δύο παραμέτρων παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες και αποτελεί το κίνητρο μιας σειράς πρόσφατων ερευνητικών εργασιών. Στα πλαίσια της διατριβής, αρχικά μελετήθηκαν οι διαφορετικές μεθοδολογίες προσδιορισμού του συντελεστή FINF που παρουσιάζονται στην διεθνή βιβλιογραφία. Επιλέχθηκε τελικά δύο διαφορετικές μεθοδολογίες, οι οποίες εφαρμόστηκαν και αξιολογήθηκαν. Η πρώτη μεθοδολογία βασίζεται στην δυναμική εξίσωση του ισοζυγίου μάζας και χρησιμοποιεί δεδομένα συνεχούς μέτρησης των εσωτερικών και εξωτερικών συγκεντρώσεων και του ρυθμού εξαερισμού. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας βάσης δεδομένων για τις τιμές των άγνωστων παραμέτρων P, k (και κατ’επέκταση του συντελεστή διείσδυσης FINF), για τα τρία σωματιδιακά κλάσματα. Η δεύτερη μεθοδολογία χρησιμοποιεί δεδομένα εσωτερικών και εξωτερικών συγκεντρώσεων επιλεγμένων χημικών συστατικών των σωματιδίων (τα οποία θεωρούνται δείκτες της διείσδυσης των PM), για τον υπολογισμό μιας μέσης αντιπροσωπευτικής τιμής του συντελεστή διείσδυσης. Στα πλαίσια της διατριβής εξετάστηκε η δυνατότητα χρήσης των θειικών ανιόντων (SO42-) και του στοιχειακού άνθρακα (EC), ως «δείκτες». Τα συνολικά αποτελέσματα εφαρμογής και ελέγχου της αξιοπιστίας της μεθόδου, ανέδειξαν τον στοιχειακό άνθρακα ως τον πλέον κατάλληλο «δείκτη διείσδυσης» των PM2,5 για την περιοχή της Αθήνας.