Ειδοχαρακτηρισμός ατμοσφαιρικής εναπόθεσης αζώτου (N), σιδήρου (Fe) και μεταλλικών ιχνοστοιχείων στη Μεσόγειο

Abstract

The Mediterranean Sea, due to its unique characteristics, is a region sensitive to the impacts of observed climate change (increase in atmospheric and sea temperatures, rising sea levels, changes in rainfall patterns among others). This has attracted the attention of the global scientific community, leading to numerous studies related to atmospheric chemistry and its effects on the broader Mediterranean region. The objective of this study is to explore the role of nutrients (N, P, Fe) in the marine productivity of the Eastern Mediterranean. Previous studies have indicated that atmospheric deposition is a significant external pathway enriching the Mediterranean sea with nutrients. Analyzing a long data series of 25 years of wet deposition (1997 to 2022) revealed a significant temporal increase in rainfall pH values. As the solubility of wet deposited Fe is influenced by pH, the observed pH increase leads to a substantial reduction (up to 4-5 times) of the levels of dissolved and thus bioavailable Fe deposited into the oceans, potentially impacting marine productivity in the near future. By using a long time series data on atmospheric deposition over a 21-year period (1997-2017) at Finokalia, Crete and sediment traps at two different depths in the Cretan sea (500m and 1715m), dry deposition was found to be the main mechanism contributing 67% of total insoluble matter flux, 68% of total dissolved inorganic N flux and 75% of total dissolved inorganic P flux. Regarding the sea-atmosphere interaction, mass transfer in the water column was found to be quite rapid, which is attributed to the formation of aggregates between the deposited atmospheric dust and the organic material produced by marine biological activity. Knowing that the organic fraction of nitrogen constitutes approximately 20% of total nitrogen, we attempted, for the first time, to study the sources and factors influencing the variability of WSON (Water-Soluble Organic Nitrogen) at two locations in Cyprus with contrasting characteristics (traffic and background locations) over a period covering an entire year. Annual mean WSON concentrations of 0.20 and 0.16 μgN m-3 were determined at the traffic and regional background sites, respectively. A traffic WSON enhancement was found to be quite modest, on an annual basis (9%). However, concentrations of WSON in Nicosia were more than double than the background during winter. The "Lenschow approach" indicated that during the winter, both "traffic + heating" and regional aerosol contribute nearly equally to WSON levels, while contributions from regional sources seem to become more significant (over 80-90%) during the summer. Regarding sources, the estimated contribution of regional transport of processed aerosols was found to be more pronounced at the regional background site (59% vs. 38%), while a sizeable input (35%) was linked to vehicular emissions at the traffic site. An additional anthropogenic impact, probably related to biomass burning, was estimated at both sites (16%), while contributions of natural sources like mineral dust (4–8%) and marine aerosol (2–3%) were smaller. While numerous studies have focused on the chemical composition of aerosols in various regions across the entire Mediterranean, this study uniquely attempts to simultaneously investigate the composition and sources of aerosols across the entire Mediterranean. Analyzing the available data, it seems that the eastern Mediterranean basin generally experiences higher inputs of suspended particulate matter (both natural and anthropogenic origin) compared to the western basin. The Mediterranean seems to be influenced by a variety of aerosol sources, with a dominant role played by dust (9-44%) and secondary sulfates (17-30%). This is followed by aged (13-23%) and fresh sea salt (6-16%). Contributions are also observed from heavy oil combustion (4-12%), industrial emissions (2-12%), biomass burning (5-6%), and vehicle emissions (20%, in Algeria). Finally, through the comparison of the Finokalia station with a corresponding background station in the Greek area (NEO), the Finokalia station was identified as a characteristic background station not only for Greece but also for the broader area of the southeastern Mediterranean.

Η Μεσόγειος θάλασσα, λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της αποτελεί μια περιοχή ευαίσθητη στις επιπτώσεις της παρατηρούμενης κλιματικής αλλαγής (αύξηση της ατμοσφαιρικής και θαλάσσιας θερμοκρασίας, αύξηση της στάθμης της θάλασσας, αλλαγές στον κύκλο των βροχοπτώσεων, αύξηση αριθμού και συχνότητας πυρκαγιών, αύξηση συχνότητας και έντασης ακραίων καιρικών φαινομένων, αλλαγές στην βιοποικιλότητα κλπ.), γεγονός που έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας. Αντικειμενικός στόχος της παρούσας μελέτη, είναι η διερεύνηση του ρόλου των θρεπτικών συστατικών (N,P,Fe) στη θαλάσσια παραγωγικότητα της Α. Μεσογείου, μέσω της μελέτης της διαχρονικής διακύμανσης της ατμοσφαιρικής εναπόθεσης τους, καθώς και η μελέτη της χωρικής μεταβλητότητας της χημικής σύστασης των αερολυμάτων σε ολόκληρο το εύρος της Μεσογείου. Οι διαθέσιμες ως τώρα μελέτες έχουν δείξει ότι η ατμοσφαιρική εναπόθεση αποτελεί βασικό μονοπάτι εμπλουτισμού της Μεσογείου με θρεπτικά συστατικά. Μελετώντας τα δεδομένα υγρής εναπόθεσης μιας μεγάλης χρονοσειράς 25 ετών, από το 1997 έως το 2022, παρατηρείται μια σημαντική διαχρονική αύξηση των τιμών του pH της βροχής. Δεδομένου ότι η διαλυτότητα του Fe επηρεάζεται από το pΗ της βροχής, η παρατηρούμενη αύξηση της τιμής του pH οδηγεί σε σημαντική μείωση έως και 4-5 φορές των επιπέδων του διαλυτού και άρα βιοδιαθέσιμου Fe που εναποτίθεται στους ωκεανούς με επακόλουθες πιθανές επιπτώσεις στη θαλάσσια παραγωγικότητα.Όσον αφορά την ατμοσφαιρική εναπόθεση των Ν και του P, κατά καιρούς έχουν διεξαχθεί σχετικές μελέτες, ωστόσο ελάχιστες είναι αυτές που βασίζονται σε δεδομένα ατμόσφαιρας και θάλασσας για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έχοντας στη διάθεση μας δεδομένα ατμοσφαιρικής εναπόθεσης τα οποία συλλέχθηκαν σε μια περίοδο 21 ετών (1997-2017) στον ερευνητικό σταθμό υποβάθρου του Φινοκαλιά και ιζηματοπαγίδων τα οποία συλλέχθηκαν σε 2 διαφορετικά βάθη στη στήλη του θαλασσινού νερού (500m και 1715m), στο Κρητικό Πέλαγος, για μια περίοδο 9 ετών, από Απρίλιο 1997 – Μάρτιο 2005) βρέθηκε, ότι η ξηρή εναπόθεση αποτελεί τον κύριο μηχανισμό ατμοσφαιρικής εναπόθεσης συνεισφέροντας το 67%, 68% και 75% της συνολικής ροής αδιάλυτης ύλης, του διαλυτού ανόργανου Ν και P, αντίστοιχα. Όσον αφορά την αλληλεπίδραση θάλασσας και ατμόσφαιρας, η μεταφορά μάζας στη στήλη του νερού γίνεται αρκετά γρήγορα, γεγονός που αποδίδεται στο σχηματισμό συσσωματωμάτων μεταξύ της εναποτιθέμενης ατμοσφαιρικής σκόνης και του οργανικού υλικού που παράγεται από την θαλάσσια βιολογική δραστηριότητα. Γνωρίζοντας ότι το οργανικό κλάσμα του αζώτου αποτελεί σημαντικό ποσοστό του συνολικού αζώτου, προσπαθήσαμε για πρώτη φορά να προσδιορίσουμε τις πηγές και τους παράγοντες που επηρεάζουν την διακύμανση του WSON σε δύο τοποθεσίες της Κύπρου με διαφορετικά χαρακτηριστικά (αστικής κυκλοφορίας - τοπικού υποβάθρου) για ένα διάστημα που καλύπτει έναν ολόκληρο χρόνο. Η μέση ετήσια συγκέντρωση WSON μετρήθηκε στα 0,20 και 0,16 μg N/m3 στην περιοχή αστικής κυκλοφορίας και τοπικού υποβάθρου, αντίστοιχα. Το WSON παρουσιάζεται ελαφρώς ενισχυμένο στον σταθμό κυκλοφορίας (9%), σε ετήσια βάση. Ωστόσο κατά τη διάρκεια του χειμώνα η συγκέντρωση του WSON στην Λευκωσία βρέθηκε να είναι σχεδόν διπλάσια σε σχέση με αυτή της τοποθεσίας υποβάθρου λόγω της οικιακής θέρμανσης. Η "προσέγγιση Lenschow", έδειξε ότι, κατά τη διάρκεια του χειμώνα στα επίπεδα του WSON συνεισφέρουν σχεδόν ισοδύναμα τόσο οι επιδράσεις "κίνησης + θέρμανσης" όσο και τα περιφερειακά αερολύματα ενώ οι συνεισφορές των περιφερειακών αερολυμάτων γίνονται σημαντικότερες (πάνω από το 80-90%) κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. Όσον αφορά τις πηγές του WSON βρέθηκε ότι, η εκτιμώμενη συνεισφορά της περιφερειακής μεταφοράς των γηρασμένων αερολυμάτων είναι εντονότερη στην περιοχή τοπικού υποβάθρου (59% έναντι 38% στον αστικό σταθμό), ενώ στην περιοχή αυξημένης κυκλοφορίας μια σημαντική συνεισφορά (35%) συνδέθηκε με τις εκπομπές οχημάτων. Και στις δύο περιοχές εντοπίστηκε μια επιπρόσθετη ανθρωπογενής επίδραση (16%), που πιθανώς σχετίζεται με την καύση βιομάζας, ενώ η συνεισφορά των φυσικών πηγών όπως η ορυκτή σκόνη (4-8%) και το θαλάσσιο αερόλυμα(2-3%) ήταν μικρότερη. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης για πρώτη φορά πραγματοποιήθηκε μια προσπάθεια μελέτης της χημικής σύστασης και των πηγών των αιωρούμενων σωματιδίων ταυτόχρονα σε ολόκληρη την έκταση της Μεσογείου. Μελετώντας τα δεδομένα που είχαμε στη διάθεση μας, φαίνεται ότι η ανατολική λεκάνη της Μεσογείου δέχεται γενικά υψηλότερες εισροές αιωρούμενων σωματιδίων (τόσο φυσικής όσο και ανθρωπογενούς προέλευσης) σε σχέση με τη δυτική λεκάνη. Η Μεσόγειος φαίνεται να γίνεται αποδέκτης μιας πληθώρας πηγών αιωρούμενων σωματιδίων, με κυρίαρχο ρόλο των σωματιδίων σκόνης (9-44%) και των δευτερογενών θειικών (17-30%), ακολουθεί το γηρασμένο (13-23%) και φρέσκο θαλασσινό αλάτι (6-16%), ενώ φαίνεται επίσης να συνεισφέρουν οι καύσεις βαρέως πετρελαίου με σημαντική συνεισφορά από την ναυτιλία (4-12%), οι βιομηχανικές εκπομπές (2-12%) η καύση βιομάζας (5-6%) και στον περιαστικό σταθμό στην Αλγερία οι εκπομπές από την κυκλοφορία οχημάτων. Ολοκληρώνοντας, μέσα από τη σύγκριση του σταθμού του Φινοκαλιά με αντίστοιχο σταθμό υποβάθρου του ελλαδικού χώρου (ΝΕΟ) αναδεικνύεται για μια ακόμα φορά η σημαντικότητα του σταθμού του Φινοκαλιά ως χαρακτηριστικού σταθμού υποβάθρου όχι μόνο του Ελλαδικού χώρου αλλά και της ευρύτερης περιοχής της ΝΑ Μεσογείου.