Ισοζύγιο μάζας και εντοπισμός κύριων πηγών προέλευσης για τα λεπτομερή ατμοσφαιρικά σωματίδια ΑΣ2.5 στην ατμόσφαιρα της Αθήνας

Abstract

A systematic monitoring of PM2.5 was carried out during a period of three years (from February 2010 to April 2013) at an urban site, at the National Technical University of Athens campus.Two types of 24-hour PM2.5 samples have been collected: 271 samples on PTFE and 116 samples on quartz filters. Daily PM2.5 concentrations were determined for both types of samples. Total sulfur, crustal origin elements and elements of a major crustal component (Al, Si, Fe, Ca, K, Mg, Ti) trace elements (Zn, Pb, Cu, Ni, P, V, Cr, Mn) and water soluble ions (Cl-, NO3-, SO42-, Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) were determined on the PTFE samples. Organic carbon (OC), elemental carbon (EC) and water soluble ions were determined on the quartz samples.The study of the temporal variability of the species determined, has shown that the determined concentrations are strongly influenced by regionally and long range transported aerosols. Concentration maxima for sulfates were associated with Northern airflows while concentration maxima for the elements of crustal origin were associated with air masses incoming from North-West Africa. For the mass closure six components were considered: Secondary Inorganic Aerosol (SIA), Organic Matter (OM), Elemental Carbon (EC), Dust, Mineral anthropogenic component (MIN) and Sea Salt (SS). SIA and OM contributed in the mass of PM2.5 almost equally: 30-36% and 30% respectively. EC, SS and MIN accounted for 5, 4 and 3% respectively of the total PM2.5 mass. Dust accounted for about 3-5% in absence of dust transport event and reached a much higher percentage in case of dust transport event. Τhese contributions justify at least 80% of the PM2.5 mass.Source apportionment analysis has been performed by Positive Matrix Factorization. The combination of the PMF results obtained by both data sets lead to the definition of six factors:1. SO42-,NH4+, OC (industrial/regional sources, secondary aerosol) 2. EC, OC, K and trace metals (traffic and heating by biomass burning, locally emitted aerosol). 3. Ca, EC, OC and trace metals (urban-resuspended road dust reflecting exhaust emissions), 4. Secondary nitrates 5. Na, Cl (marine source) 6. Si, Al, Ti, Ca, Fe (Dust transported from Sahara). These factors reflect not only main sources contributions but also underline the key role of atmospheric dynamics and aerosol ageing processes in this Mediterranean environment.The spatial distribution of PM sources affecting Athens was determined by introducing in the Concentration Weighted Trajectory (CWT) algorithm PM2.5 concentration and composition data. For sulfates, ammonium and organic carbon, a significant regional contribution derives from northern airflows through Greece and Balkan Peninsula (mainly Bulgaria). The intrusion of Saharan dust is responsible for the concentration maxima of the elements of crustal/main crustal origin, and was almost exclusively associated with S-SW airflows through Algeria, Tunisia and Libya.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε συστηματική παρακολούθηση των συγκεντρώσεων και της χημικής σύστασης των PM2.5 κατά τη διάρκεια μίας περιόδου 3 ετών (από Φεβρουάριο 2010 έως Απρίλιο 2013) σε αστική περιοχή, στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου. Συλλέχθηκαν δύο τύποι 24-ωρων ατμοσφαιρικών δειγμάτων PM2.5: 271 δείγματα σε φίλτρα τεφλόν (PTFE) και 116 δείγματα σε φίλτρα χαλαζία (Quartz). Προσδιορίστηκαν ημερήσιες συγκεντρώσεις των PM2.5 και για τους δύο τύπους δειγμάτων. Στα φίλτρα PTFE προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις ολικού θείου, χαρακτηριστικών στοιχείων εδαφικού υλικού (Αl, Si, Fe, Ca, Κ, Mg, Ti), ιχνημετάλλων (Zn, Pb, Cu, Ni, V, Cr, Mn) και υδατοδιαλυτών ιόντων (Cl-, ΝΟ3-, SO42-, Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+). Στα φίλτρα Quartz προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις οργανικού (OC) και στοιχειακού άνθρακα (EC) καθώς και των υδατοδιαλυτών ιόντων.Η μελέτη της χρονικής μεταβλητότητας των χημικών ειδών που προσδιορίστηκαν, έδειξε ότι οι συγκεντρώσεις στο σημείο αποδέκτη επηρεάζονται έντονα από τοπικά αερολύματα και αερολύματα που μεταφέρονται από μεγάλες αποστάσεις. Τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των θειικών συνδέονται με αέριες μάζες που προέρχονται από βόρειες διευθύνσεις, ενώ τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των στοιχείων του εδαφικού υλικού συνδέονται με αέριες μάζες που προέρχονται από τη βορειοδυτική Αφρική.Τα αποτελέσματα από τον υπολογισμό του ισοζυγίου μάζας έδειξαν ότι SΙΑ και OM συμβάλλουν στη μάζα των PM2.5 σχεδόν ισόποσα: 30–36% και 30% αντίστοιχα. Η συνεισφορά των ΕC, SS και MIN στη μάζα των PM2.5 είναι 5, 4 και 3%, αντίστοιχα. Η σκόνη συνεισφέρει 3-5% της μάζας των PM2.5 απουσία επεισοδίων μεταφοράς σκόνης, ενώ φτάνει σε πολύ μεγαλύτερο ποσοστό σε περίπτωση εκδήλωσης επεισοδίων μεταφοράς σκόνης. Οι παραπάνω συνεισφορές δικαιολογούν τουλάχιστον το 80% της μάζας των PM2.5. Ο καταμερισμός των πηγών εκπομπής των σωματιδίων (source apportionment) πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της Θετικής Παραγοντικής Ανάλυσης (PMF). Από το συνδυασμό των αποτελεσμάτων της PMF και από τις δύο χρονοσειρές, προέκυψαν έξι παράγοντες: (1) SO42-, NH4+, OC (βιομηχανικές πηγές, δευτερογενώς παραγόμενο αερόλυμα, συμβολή περιφερειακών πηγών), (2) EC, OC, K και ιχνημέταλλα (κυκλοφορία οχημάτων και καύση βιομάζας, κινητές και σταθερές πηγές τοπικής προέλευσης), (3) Ca, EC, OC και ιχνημέταλλα (επαναιώρηση της σκόνης των δρόμων και σκόνη από κατασκευαστικά έργα-αστική σκόνη-αντιπροσωπεύοντας τις εξατμίσεις οχημάτων), (4) δευτερογενής σχηματισμός νιτρικών (κυκλοφορία οχημάτων), (5) Na, Cl (θαλάσσιο αερόλυμα) και (6) Si, Al, Ti, Ca, Fe (μεταφορά σκόνης από τη Σαχάρα).Η χωρική κατανομή των περιοχών-πηγών των PM2.5 που επηρεάζουν την ατμόσφαιρα του λεκανοπεδίου προσδιορίστηκε με την εισαγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων (συγκεντρώσεων και σύστασης) στον αλγόριθμο Concentration Weighted Trajectory (CWT). Για τα θειικά, αμμωνιακά και οργανικό άνθρακα, μια σημαντική περιφερειακή συνεισφορά στη μάζα των PM2.5 αποδίδεται σε εισροές αερίων μαζών από Βορρά (κυρίως Βουλγαρία). Τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των στοιχείων του εδαφικού υλικού οφείλονται στην εισροή σκόνης από τη Σαχάρα και συνδέονται σχεδόν αποκλειστικά με αέριες μάζες από νότιες/ νοτιοδυτικές διευθύνσεις (Αλγερία, Τυνησία και Λιβύη).