Μηχανική ποιότητας αέρα

Transcript

1 Μηχανική ποιότητας αέρα 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

2 Atmospheric structure and composition 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

3 Air Pollutant Contaminant that affects human life, plant life, animal life and property could be termed as an air pollutant. Introduction of a non-physical chemical Change of the composition of the natural atmosphere (e.g.co 2 increase) Air pollutants are classified into two categories: Primary pollutants: These pollutants are emitted from a source directly into the atmosphere. e.g. Sulfur dioxide and Hydrocarbons Secondary pollutants: These are formed due to the chemical reaction among two or more pollutants. e.g. Peroxyacetyl nitrate (PAN ) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

4 The problem of air pollution Τί είναι ατμοσφαιρική ρύπανση? Ατμοσφαιρική ρύπανση ορίζεται η μεταβολή της σύστασης ατμόσφαιρας, είτε από την είσοδο ενώσεων που δεν υπάρχουν στη φυσική της σύσταση, είτε από μεταβολή της συγκέντρωσης υπαρχόντων ενώσεων Κλίμακες του προβλήματος Παγκόσμια (παγκόσμια θέρμανση, μείωση στρατοσφαιρικού όζοντος) Περιφερειακή (όξινη βροχή) Τοπική Αστική Κλίμακα δρόμου Ρύπανση εσωτερικών χώρων Οι κυριότεροι ατμοσφαιρικοί ρύποι είναι: Το Διοξείδιο του Θείου (SO 2 ) Το Μονοξείδιο του Άνθρακα (CO) Τo Διοξείδιo του Αζώτου (NO 2 ) Το Όζον (O 3 ) Τα Αιωρούμενα Σωματίδια (κυρίως PM 2.5, PM 10 ) Το Βενζόλιο (C 6 H 6 ) Ο Μόλυβδος (Pb) Το διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) σε συγκέντρωση ανώτερη της φυσιολογικής Πηγές ατμοσφαιρικών ρύπων: Ανθρωπογενείς πηγές Βιομηχανική δραστηριότητα Παραγωγή ενέργειας Μεταφορές Οικιακή θέρμανση Χρήση καταναλωτικών προίόντων Φυσικές πηγές Βιογενείς εκπομπές Ηφαίστεια Επιπτώσεις ατμοσφαιρικής ρύπανσης Ανθρώπινη υγεία Οικοσύστημα - Βιόσφαιρα Τεχνητό περιβάλλον 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

5 Air pollution scales Global warming Global & regional scale Acid rain Urban scale Street canyon Indoor pollution 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

6 Major air pollutants Particulate matter (UFPs, PM 1, PM 2.5, PM 10 ) Sulfur dioxide (SO 2 ) Carbon monoxide (CO) Nitrogen dioxide (NO 2 ) Ozon (O 3 ) Benzene (C 6 H 6 ) Lead (Pb) (CO 2 ) at levels beyond normal 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

7 Source Classification Transportation sources: Includes emissions from transportation sources during the combustion process Stationary combustion sources: These sources produce only energy and the emission is a result of fuel combustion Industrial sources: These sources emit pollutants during the manufacturing of products Solid waste Disposal: Includes facilities that dispose off unwanted trash Miscellaneous: sources that do no fit in any of the above categories like, coal mining etc. Natural sources: Volcanos 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

8 Air pollution effects 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

9 Eras of Air Pollution Pre-Industrial Era Early-Industrial Era Early 20 th Century Late 20 th Century Early 21 st Century 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

10 Units for measurement of Air Pollution There are two units of measurement. They are as follows: µg/m 3 and ppm (parts per million) At 25 C and 1 atm At 0 0 C and at a pressure of 76 cm of Hg, volume of the air is l/mol. To obtain volume at any temperature, use gas law P 1 V 1 /T 1 = P 2 V 2 /T 2 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

11 Atmospheric processes 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

14 Atmospheric processes Air pollution modelling Navier-Stokes equation Emissions inventory C t i Transportation VC K C P L C S R i i i i i i i Dispersion Chemical transformation Emissions Removal Emissions model Emissions process Emissions control Air quality model Air quality assessment Meteorological data Meteorological model Meteorology process 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

15 Indoor Box models Environmental Air pollution models Outdoor Gauss models Empirical models ANN models dc dt dc2 V Q Ca C E kc V Q C C dt 1 V Q Ca C1 E 1 kc1v 1 Q1 2 C2 C Computational Fluid Dynamics (CFD) models z h z h y Q C x, y, z exp exp exp u y z 2 z 2 z 2 z Lagrange Euler c t 2 V c D c S Air pollution models CALINE 4 OSPM STREET CALTOX SILAM CMAQ REMSAD UAM-V CAMx PHOΕNIX FEM3MP ANSYS-CFX INTERA t div grad S FEM3MP CFD model Choosing a model: Nature and complexity of the problem Input data limitations Computational cost 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

16 Air pollution study fields One model approach (US EPA) Nested gridding All sources and processes are taken into account simultaneously Mobile Sources NOx, VOC, Toxics (Cars, trucks, airplanes, boats, etc.) Industrial Sources Chemistry Ozone PM Acid Rain NOx, VOC, SOx, Toxics (Power plants, factories, refineries/chemical plants, etc.) Area Sources Meteorology Visibility Air Toxics Atmospheric Deposition Development of algorithms for adapting the problem on the proper scale NOx, VOC, Toxics (Homes, small business, farming equipment, etc.) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

17 Air quality assessment Analytical methods Remote sensing Satellites LIDAR Beta attenuation High importance of spatial and temporal resolution Passive sampling Active sampling 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

18 Integrated system for air pollution monitoring EO data Emission inventory Image processing AQ and Met data AOT Atmospheric dispersion model Data Fusion Z 2 =C PM (b scat,rh) z2 =cost Model Fusion z1 =f(w) Z 1 =C PM (Mod) K= 2 z1/( 2 z1+ 2 z2) C K PM =Z 1+K(Z 2 -Z 1 ) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

19 Human exposure assessment High importance of spatial and temporal resolution Passive sampling Active sampling Direct measurements Calculation based on the respective concentration levels of the locations encountered and the residence time C f C T n n n 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

20 Outdoor air Air quality models validation Indoor air Measured PM concentrations INDOORTRON Modelled PM concentrations Models fusion 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab INDOORTRON Enve-Lab, modelled 2016 in ANSYS-CFX 20

21 Particulate matter Chemical speciation Emissions inventory PM sampler Chemical exctraction Positive matrix factorization Principal Component Analysis Regression analysis Beta-Attenuation Source apportionment Lidar 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

22 Δομή και θερμοκρασιακή διαστρωμάτωση της ατμόσφαιρας 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

23 Τα στρώματα της ατμόσφαιρας Ποιά η σημασία της ύπαρξης της τροπόπαυσης στη γήινη ατμόσφαιρα; Πλανητικό οριακό στρώμα Η μέση κατανομή της θερμοκρασίας διευκολύνει τη διασπορά των ρύπων στην κατακόρυφη διεύθυνση; 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

24 Πως γίνεται η θέρμανση της τροπόσφαιρας; Ηλιακή ενέργεια απορρόφηση από τις αέριες μάζες (λίγο) Θέρμανση επιφάνειας της γης θέρμανση υπερκείμενου αέρα κοκ (μηχανισμός φυσικής συναγωγής) Περιβαλλοντική θερμοβαθμίδα (Ambient Lapse Rate) ALR Ξηρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα (dry adiabatic lapse rate) DALR Γb=10 K/km 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

25 Θέρμανση και ψύξη της ατμόσφαιρας 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

26 Ευστάθεια της ατμόσφαιρας 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

27 Θέρμανση και ψύξη της ατμόσφαιρας 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

28 Ατμοσφαιρική ευστάθεια Θερμοκρασιακή αναστροφή 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

29 Θερμοκρασιακές αναστροφές 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

30 Τάξεις ευστάθειας κατά Pasquill-Gifford ALR>DALR ασταθής ALR<DALR ευσταθής ALR=DALR ουδέτερη 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

31 Τάξεις ευστάθειας κατά Pasquill-Gifford 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

32 Οριακό στρώμα και ύψος ανάμειξης 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

33 Το μοντέλο Gauss 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

34 Παράμετροι που επηρεάζουν την ατμοσφαιρική διασπορά Η διασπορά ενός ρύπου στην ατμόσφαιρα εξαρτάται από α) μετεωρολογικές συνθήκες β) χαρακτηριστικά της πηγής ρύπανσης γ) από τη φύση του ρύπου δ) από την τοπολογία της περιοχής Μετεωρολογικές συνθήκες: διεύθυνση και ταχύτητα του ανέμου, ένταση ατμοσφαιρικής τύρβης, θερμοκρασία και υγρασία της Ατμόσφαιρας, είδος της ατμοσφαιρικής ευστάθειας Μοντέλο θυσάνου του Gauss 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

35 Μοντέλο θυσάνου του Gauss Σημειακή πηγή, συνεχής και σταθερή εκπομπή ρύπων ορισμένης αρχικής συγκέντρωσης Η μάζα που εκπέμπεται από την πηγή παραμένει σταθερή (π.χ. όχι χημ. Αντιδράσεις) Ακολουθεί τις κινήσεις της ατμόσφαιρας Αν οι ρύποι φθάσουν στο έδαφος θεωρείται ότι ανακλώνται και επιστρέφουν στην ατμόσφαιρα Μετεωρολογικές συνθήκες σταθερές Γκαουσιανή κατανομή συγκέντρωσης του ρύπου σε οριζόντια και κατακόρυφη κατεύθυνση 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

36 Κατανομή της συγκέντρωσης Πηγή ρύπων στο x=0, y=0, z=0 Q: παροχή του ρύπου U: ταχύτητα του ανέμου (οριζόντια) σ y, σ z : οριζόντιος, κατακόρυφος συντελεστής διάχυσης σε m 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

37 Οριζόντιος και κατακόρυφος συντελεστής διάχυσης 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

38 Περιπτώσεις διασποράς θυσάνου για διάφορες κατανομές θερμοκρασίας 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

39 Πηγή σε ύψος H s 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

40 Αποδέκτης στο έδαφος z=0 Εκτιμήσεις συγκέντρωσης κάτω από την κεντρική γραμμή του θυσάνου και επάνω στο έδαφος (z=0) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

41 Περίπτωση πυρκαγιών ή εκρήξεων Για συγκεντρώσεις στο έδαφος θέτουμε z=0 οπότε προκύπτει: Στο έδαφος και στην κεντρική γραμμή (z=0, y=0) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

42 Περίπτωση ανωστικού θυσάνου Στην απόσταση x f ο θύσανος οριζοντιώνεται Εξίσωση Holland 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

43 Σχέσεις Briggs 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

44 Biomass in Thessaloniki Practical example 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

45 Index Nasopharyng eal Trach eo bro nchial Pulmonary bronchioles Nasopharyng eal Trach eo bro nchial Pulmonary bronchioles Traffic Urban backgroun d Index Nasopharyng eal Trach eo bro nchial Pulmonary bronchioles Nasopharyng eal Trach eo bro nchial Pulmonary bronchioles Traffic Urban backgroun d Environmental Biomass in Thessaloniki Practical example Meteorological parameters prediction Temperature Humidity Wind speed Wind direction Precipitation Region specific oxidative potential index Lung cancer risk Indoor concentrations 1 PM PM day before 2 ANN Forecasted Ambient air PM Measured HRT deposition + INTERA comp. platform Dynamics in time n Population exposure Ambient air PM monitoring network Database Training loop Anthropometric data Time activity data Housing data Health impact Chemical analysis Source apportionment (e.g. Levoglucosan, BC, metals) Refined risk assessment (e.g. PAHs analysis, redox activity) Urban background Other sources Biomass Monetary impact 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

46 Sampling sites (10/2012 4/2013) Sampling filters Before After Urban background station Traffic station 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

47 1/5/2013 1/7/2013 1/9/2013 1/11/2013 1/13/2013 1/15/2013 1/17/2013 1/19/2013 1/21/2013 1/23/2013 1/25/2013 1/27/2013 1/29/2013 1/31/2013 2/2/2013 2/4/2013 2/6/2013 2/8/2013 2/10/2013 2/12/2013 2/14/2013 2/16/2013 2/18/2013 2/20/2013 2/22/2013 2/24/2013 2/26/2013 2/28/2013 3/2/2013 3/4/2013 3/6/2013 3/8/2013 3/10/2013 3/12/2013 3/14/2013 3/16/2013 3/18/2013 3/20/2013 3/22/2013 3/24/2013 3/26/2013 3/28/2013 3/30/2013 4/1/2013 4/3/2013 4/5/2013 4/7/2013 4/9/2013 4/11/2013 4/13/2013 4/15/2013 1/5/2013 1/7/2013 1/9/2013 1/11/2013 1/13/2013 1/15/2013 1/17/2013 1/19/2013 1/21/2013 1/23/2013 1/25/2013 1/27/2013 1/29/2013 1/31/2013 2/2/2013 2/4/2013 2/6/2013 2/8/2013 2/10/2013 2/12/2013 2/14/2013 2/16/2013 2/18/2013 2/20/2013 2/22/2013 2/24/2013 2/26/2013 2/28/2013 3/2/2013 3/4/2013 3/6/2013 3/8/2013 3/10/2013 3/12/2013 3/14/2013 3/16/2013 3/18/2013 3/20/2013 3/22/2013 3/24/2013 3/26/2013 3/28/2013 3/30/2013 4/1/2013 4/3/2013 4/5/2013 4/7/2013 4/9/2013 4/11/2013 4/13/2013 4/15/2013 PM concentration (μg/m 3 ) PM concentration (μg/m 3 ) PM2.5 PM10 Environmental Traffic site October-December 2012 Measurements (10/12 4/13) PM2.5 PM10 Urban background site October-December PM1 PM2.5 PM10 Traffic site January-April PM1 PM2.5 PM10 Urban background site January-April Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

48 Levoglucosan (μg/m 3 ) Black carbon (μg/m 3 ) Environmental Levoglucosan and black carbon 8 7 Levoglucosan - Biomass burning tracer 8 7 Black Carbon- Fossil fuels combustion tracer PM1 PM2.5 PM10 PM1 PM2.5 PM10 0 PM1 PM2.5 PM10 PM1 PM2.5 PM10 Urban background Traffic Urban background Traffic 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

49 PM concentration (μg/m 3 ) Environmental Biomass contribution to PM Traffic site Other sources 150 Urban background Other sources Biomass Biomass Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

50 Predicted (μg/m 3 ) Predicted (μg/m 3 ) Environmental ANN model performance 120 Urban background PM10 Urban Background PM2.5 Urban Background 120 Traffic PM10 Traffic PM2.5 Traffic R² = R² = R² = R² = Observed (μg/m 3 ) Observed (μg/m 3 ) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

51 Indoor PM (μg/m 3 ) Environmental Indoor PM concentrations 250 5%-95% 200 Median Mean PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 Measured Modeled 2012 Modeled 2011 Measured Modeled 2012 Modeled 2011 Measured Modeled 2012 Modeled 2011 Without fireplace With fireplace Warm period Cold period 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

52 Exposure to PM (μg/m 3 ) Environmental PM exposure 250 5%-95% 200 Median Mean PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM2.5 PM10 PM Fireplace Warm period Cold period 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

53 PM concentration (μg/m 3 ) PM concentration (μg/m 3 ) PM concentration (μg/m 3 ) PM concentration (μg/m 3 ) Environmental Indoor PM concentrations during open fireplaces operation PM μm no fireplace with fireplace PM 0.7-1μm no fireplace with fireplace hour 2 hour 3 hour hour 2 hour 3 hour PM 1-5μm no fireplace with fireplace PM 5-10μm no fireplace with fireplace hour 2 hour 3 hour 0 1 hour 2 hour 3 hour 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

54 PM concentration (μg/m 3 ) Environmental Intra-day PM exposure variability Outdoor Indoor (home) Exposure Exposure (Inh. Coef) Time of the day 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

55 PAHs and cancer risk Urban ΤΕQ/[PM] (10-2 ng/μg) Traffic PM 1.0 PM 2.5 PM 10 PM 1.0 PM 2.5 PM Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

56 ROS (pmol/min/μg) Index PM concentration (μg/m 3 ) PM mass (μg) Environmental PM concentrations 25%-75% Region specific oxidative potential index Median Mean HRT deposition 25%-75% Median Mean UFPs PM1 PM2.5 PM10 UFPs PM1 PM2.5 PM10 Traffic Urban background 0 Nasopharyngeal Tracheobronchial Traffic Pulmonary bronchioles Nasopharyngeal Tracheobronchial Urban background Pulmonary bronchioles 0.35 ROS (DDT activity) 25 Region specific oxidative potential index %-75% Median Mean %-75% Median Mean UFPs PM1 PM2.5 PM10 UFPs PM1 PM2.5 PM10 Traffic Urban background 0 Nasopharyngeal Tracheobronchial Pulmonary bronchioles Traffic Nasopharyngeal Tracheobronchial Pulmonary bronchioles Urban background 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

57 Cases (#) Cases (#) Cases (#) Cases (#) Environmental Scenario 1 Warm period (8 months) Mortality (annual) Health impact assessment Mortality and morbidity Scenario 2 Cold period (4 months) Scenario 1 Warm period (8 months) Scenario Scenario 3 4 Cardiovascular hospital admissions Scenario 2 Cold period (4 months) Scenario 3 Scenario Scenario 1 Warm period (8 months) Chronic bronchitis new cases Scenario 1 Warm period (8 months) Scenario 2 Cold period (4 months) Scenario 3 Respiratory hospital admissions (annual) Scenario 2 Cold period (4 months) Scenario 3 Scenario 4 Scenario 4 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,

58 Monetary cost (10 6 ) Cases (#) Monetary cost (106 ) Monetary cost (10 6 ) Environmental Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Warm period (8 months) Mortality cost Monetary impact assessment Mortality and morbidity Cold period (4 months) Cardiovascular hospital admissions cost Scenario 1 Warm period (8 months) Chronic bronchitis new cases cost Scenario 2 Cold period (4 months) Scenario 3 Cardiovascular hospital admissions Scenario Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Warm period (8 months) Cold period (4 months) Warm period (8 months) Cold period (4 months) 6. Μηχανική ποιότητας αέρα Enve-Lab Enve-Lab,