ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ ΛΕΠΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Δ/ΝΤΗΣ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΜΟΥΣΙΟΠΟΥΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ ΛΕΠΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΕΛΗΓΙΑΝΝΗΣ Α.Ε.Μ.: 4693 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΟΥΣΙΟΠΟΥΛΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: Δρ. ΒΛΑΧΟΚΩΣΤΑΣ ΧΡΙΣΤΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΛΙΟΣ 2013

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Ν. Μουσιόπουλος 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Δρ. Χρίστος Βλαχοκώστας 7. Τίτλος εργασίας: Μετρήσεις πεδίου λεπτών αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: Μπεληγιάννης Βασίλειος 9. Αριθμός μητρώου: Θεματική περιοχή: Αέρια ρύπανση 11. Ημερομηνία έναρξης: 5/ Ημερομηνία παράδοσης: 7/ Αριθμός εργασίας: 14. Περίληψη: Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της αέριας ρύπανσης σε δύο περιοχές της Θεσσαλονίκης. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται για την περιοχή Μπότσαρη τα επίπεδα των αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 και για την περιοχή της Πυλαίας τα επίπεδα των σωματιδίων PM 1 και PM 2.5. Βασικό στόχο της εργασίας αποτελεί η εξαγωγή συμπερασμάτων για τη συνολική εικόνα αέριας ρύπανσης των δύο περιοχών, και οι προτεινόμενες αλλαγές για τη βελτίωση της. Με βάση τα παραπάνω, η εργασία αποτελείται από 5 κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι θεωρητικές βάσεις των μηχανισμών που διέπουν τα λεπτά αιωρούμενα σωματίδια, την κατάσταση στην Ευρώπη και τις επιπτώσεις τους στον ανθρώπινο οργανισμό. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται η περίοδος και η τοποθεσία των μετρήσεων, αλλά και η υποδομή τους. Εν συνεχεία, στο κεφάλαιο 4 παρατίθενται όλα τα διαθέσιμα αποτελέσματα, αλλά και η ανάλυση τους με τη μορφή των γραφημάτων. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρατίθενται τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την εργασία και οι προτάσεις για βελτίωση της κατάστασης. 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 78 Αρ. Εικόνων: 21 Αρ. Διαγραμμάτων: 48 Αρ. Πινάκων: 9 Αρ. Παραρτημάτων: 1 Αρ. Παραπομπών: 16. Λέξεις κλειδιά: Αιωρούμενα σωματίδια, Μέσες ωριαίες συγκεντρώσεις, Μέσες ημερήσιες συγκεντρώσεις, Αεροδυναμική διάμετρος, Αιχμή 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός:

4 ARISTOTLE DEPARTMENT OF ENERGY LABORATORY OF HEAT UNIVERSITY OF MECHANICAL SECTOR TRANSFER AND THESSALONIKI ENGINEERING ENVIRONMENTAL ENGINEERING 5. Supervisor: Prof. Mousiopoulos Nikolaos 6. Undergraduate dissertation title: Monitoring of fine particles in the urban area of Thessaloniki, Greece 7. Student name: 8. Student Registration No: Beligiannis Vasileios Topic area: 10. Start date: 11. Presentation date: 12. Dissertation No. Air pollution 5/2012 7/ Summary: This study aims to monitor PM 1 and PM 2.5 levels in the urban area of Thessaloniki. More specifically, two study sites are selected: (i) the area of Vas. Olgas which is a traffic urban hotspot to monitor PM 1 levels and (ii) the area of Pylaia which a traffic suburban location to monitor PM 1 and PM 2.5 levels. Τhe strategic objective of this study is to draw conclusions about the particulate air pollution in these two areas, and to propose abatement measures and changes for improvement. Based on the above, the thesis consists of five chapters. Chapter 2 presents the theoretical background for the mechanisms that govern both pollutants, the generic situation in Europe and their impact on human health. Chapter 3 presents the selected locations and timeframe of measurements and the infrastructure used for the cases under consideration. Chapter 4 presents the available results, the relevant graphical analysis and discussion. Finally, Chapter 5 presents the main conclusions arising from the material presented herein and the suggestions for improvement. 14. The dissertation comprises of: No. of pages: 78 No. of pictures: 21 No. of figures: 48 No. of tables: 9 No. of annexes: 1 No. of references: 15. Keywords: Particulate matter, Average hourly concentrations, Average daily concentrations, Aerodynamic diameter, Peak 16. Comments: 17. Additional notes: 18. Grade:

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Από τις αρχές του 20 ου αιώνα μέχρι και σήμερα, η συνεχής εκβιομηχάνιση και η αύξηση των ανθρώπινων δραστηριοτήτων έχουν επιφέρει σημαντικές αλλαγές στο περιβάλλον. Με την εξάντληση όμως των φυσικών πόρων για την επίτευξη των δραστηριοτήτων, αλλά και με την υπέρμετρη επιθυμία των ανθρώπων για ολοένα και περισσότερα υλικά αγαθά, οι αλλαγές αυτές είναι ιδιαίτερα επιβαρυντικές για το περιβάλλον. Παρόλα αυτά, με τη βοήθεια της τεχνολογίας και την ορθολογική χρήση των υλικών αγαθών, η κατάσταση δύναται να βελτιωθεί. Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στους δυο μετρούμενους ρύπους, για τους οποίους γίνεται προσπάθεια ώστε να κατανοηθούν πλήρως οι μηχανισμοί που τους διέπουν και οι επιπτώσεις που δύνανται να επιφέρουν. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τις μετρήσεις σε δύο περιοχές της Θεσσαλονίκης, για τα αιωρούμενα σωματίδια PM 1 και PM 2.5. Βασικό στόχο της εργασίας αυτής αποτελεί η αποτίμηση μέρους της αέριας ρύπανσης των περιοχών αυτών, η εξαγωγή συμπερασμάτων και οι προτεινόμενες αλλαγές για τη βελτίωση της κατάστασης. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι βοήθησαν για την περαίωση της εργασίας αυτής και συγκεκριμένα: Τον καθηγητή, κ. Νικόλαο Μουσιόπουλο, διευθυντή του Εργαστηρίου Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, για τις σημαντικές γνώσεις και την απρόσκοπτη βοήθεια που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τον αρμόδιο παρακολούθησης της διπλωματικής εργασίας, Δρ. Χρίστο Βλαχοκώστα, για τις γνώσεις, τις διευκρινίσεις και την αρωγή που μου παρείχε για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Τους συνεργάτες του Εργαστηρίου Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής για τη συνεισφορά τους στην εργασία αυτή. Τους υπόλοιπους διδάσκοντες του τμήματος για τις γνώσεις που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια της φοίτησης μου. Τον κ. Κότιο Κωνσταντίνο, σύμβουλο σταδιοδρομίας της εταιρείας Employ και υποψήφιο διδάκτορα της Φιλοσοφικής Σχολής του Α.Π.Θ., και τους συνεργάτες του, για την παροχή του χώρου στην οδό Β. Όλγας 97 και την επίβλεψη του οργάνου. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένεια μου για την ηθική και υλική υποστήριξη από την αρχή έως το τέλος της πορείας αυτής. Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2013 Μπεληγιάννης Βασίλειος

6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ σελ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Στόχος Αντικείμενο Μεθοδολογία 2 2. ΛΕΠΤΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Γενικά Κατηγορίες αιωρούμενων σωματιδίων Με βάση το μέγεθος Με βάση την πηγή προέλευσης Με βάση τον τρόπο σχηματισμού Σύσταση αιωρούμενων σωματιδίων Μηχανισμοί απομάκρυνσης-μετατροπής αιωρούμενων σωματιδίων Επίδραση στην ορατότητα Επίδραση στις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αιωρούμενα σωματίδια και δημόσια υγεία Η κατάσταση σε ευρωπαϊκές πόλεις ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Περίοδος και τοποθεσία μετρήσεων Μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM Μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM Υποδομή μετρήσεων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Γενικά Παρουσίαση αποτελεσμάτων Κατανομή μέσων ωριαίων συγκεντρώσεων PM Κατανομή μέσων ημερησίων συγκεντρώσεων PM 1 41

8 Κατανομή μέσων ωριαίων συγκεντρώσεων PM Κατανομή μέσων ημερησίων συγκεντρώσεων PM 2, ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 57 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 61 ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ 65 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 67

9 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά Τα τελευταία χρόνια γίνονται όλο και περισσότερες αναφορές, συζητήσεις αλλά και συνέδρια διεθνούς εμβέλειας σε σχέση με το θέμα της ρύπανσης του περιβάλλοντος και ειδικότερα της αέριας ρύπανσης. Αρκετές φορές δεν είναι απόλυτα κατανοητό το πρόβλημα και υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για τα αίτια, τους τρόπους αντιμετώπισης, αλλά και τις επιπτώσεις στη δημόσια υγεία. Ρύπανση είναι η παρουσία στην ατμόσφαιρα, και γενικά στο περιβάλλον οποιασδήποτε ουσίας ή μορφής ενέργειας, που προκαλεί οποιαδήποτε μορφή ενόχλησης στα οικοσυστήματα (WHO, 2003). Είναι ευρέως γνωστό και κοινά αποδεκτό ότι, μεγάλα επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης μπορούν να επιτείνουν τη νοσηρότητα και να οδηγήσουν στη μείωση του προσδόκιμου ζωής (με μεγαλύτερο τον κίνδυνο για άτομα με χρόνιες καρδιαγγειακές και αναπνευστικές νόσους). Το πρόβλημα αυτό έχει λάβει πλέον ανησυχητικές διαστάσεις, αφού αναφορές κάνουν λόγο για θανάτους κάθε χρόνο στις μεγαλουπόλεις της Ευρώπης και σε παγκόσμια κλίμακα, εξαιτίας της μακροχρόνιας έκθεσης σε ατμοσφαιρικούς ρύπους (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος, 2009). Με βάση ένα γενικό ορισμό, ρύπος είναι η ουσία που μπορεί να προξενήσει αρνητικές συνέπειες στον άνθρωπο και το περιβάλλον του. Συχνά αντιμετωπίζεται δυσκολία στον χαρακτηρισμό μιας ουσίας ή ένωσης σε ρύπο, και αυτό λόγω των περιορισμένων γνώσεων που έχουμε σχετικά με τις βραχυχρόνιες και μακροχρόνιες επιδράσεις που έχουν οι διάφορες ουσίες ή ενώσεις στα οικοσυστήματα. Η διάκριση αυτή γίνεται ακόμα πιο δύσκολη, εξαιτίας των μηχανισμών που μπορούν να μετατρέψουν μια ένωση σε ρύπο (Μουσιόπουλος Ν., 2003). Οι πηγές όλων των ρύπων είναι δύο, οι φυσικές, οι οποίες παρουσιάζουν μικρές και κυρίως γνωστές διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις, στην διάρκεια ενός έτους, σε αντίθεση με τις ανθρωπογενείς που αυξάνονται συνεχώς λόγω της αύξησης του πληθυσμού και κυρίως της εκβιομηχάνισης (Μουσιόπουλος Ν., 2003). Ένας από τους σημαντικότερους ρύπους στον οποίο εστιάζεται η παρούσα εργασία είναι τα λεγόμενα αιωρούμενα σωματίδια. Στην ατμόσφαιρα απαντώνται σε στερεή και υγρή κατάσταση. Εξαιτίας της μεγάλης ανομοιομορφίας που παρουσιάζουν, αλλά και των μηχανισμών εισροής, απομάκρυνσης και μετασχηματισμού τους στην ατμόσφαιρα, απαιτούν να είναι γνωστή η χωρική και η χρονική τους διακύμανση για τη σωστή εξαγωγή συμπερασμάτων. 1

10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 1.2 Στόχος Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται συλλογή και ανάλυση των συγκεντρώσεων των λεπτών αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 και PM 2.5 σε δύο περιοχές της Θεσσαλονίκης. Πιο συγκεκριμένα, μετρήσεις έλαβαν χώρα στην ευρύτερη περιοχή της Β. Όλγας (Μπότσαρη) Θεσσαλονίκης για τα σωματίδια PM 1 και στην περιοχή της Πυλαίας για τα PM 1 και τα PM 2.5. Στόχο της εργασίας αποτελεί η ανάλυση των αποτελεσμάτων και η εξαγωγή συμπερασμάτων, ώστε να έχουμε μια ξεκάθαρη εικόνα για τους ρύπους αυτούς, τις επιδράσεις τους κυρίως στην υγεία και την ποιότητα ζωής του ανθρώπου, και τις δυνατότητες για βελτίωση μέρους της αέριας ρύπανσης, σε μια ευρωπαϊκή μεγαλούπολη που είναι από τις πρώτες σε ρύπανση στην Ευρώπη (State of European Cities Report, 2007). 1.3 Αντικείμενο Στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας εισάγεται ο όρος «αιωρούμενα σωματίδια» και γίνεται κατηγοριοποίηση αυτών με βάση το μέγεθος, την πηγή προέλευσης και τον τρόπο σχηματισμού τους. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται οι ιδιότητες των σωματιδίων και η χημική τους σύσταση, αλλά και οι μηχανισμοί απομάκρυνσης και μετατροπής τους από την ατμόσφαιρα. Στο ίδιο κεφάλαιο γίνεται αναφορά για την επίδραση των σωματιδίων στην ορατότητα και στις ατμοσφαιρικές συνθήκες, με αμέσως επόμενο στόχο να αποτελεί η επεξήγηση των επιδράσεων τους στη δημόσια υγεία. Τελειώνοντας το δεύτερο κεφάλαιο, και έχοντας αναφέρει και τα όρια συγκεντρώσεων της ισχύουσας νομοθεσίας για τα αιωρούμενα σωματίδια, παρουσιάζονται κάποια στοιχεία για τα επίπεδα των συγκεντρώσεων λεπτών αιωρούμενων σωματιδίων που επικρατούν σε διάφορες ευρωπαϊκές πόλεις. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τοποθεσίες των μετρήσεων. Έτσι, έλαβαν χώρα μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 στην περιοχή Β. Όλγας (Μπότσαρη) και στην περιοχή της Πυλαίας και μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 στην περιοχή της Πυλαίας. Στη συνέχεια του ίδιου κεφαλαίου αναλύεται και ο τρόπος λειτουργίας των δύο οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή των μετρήσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της ανάλυσης των διαθέσιμων δεδομένων με τη μορφή των γραφημάτων, και επεξήγηση αυτών. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα που προήλθαν με τη χρήση του υπολογιστικού φύλου excel παρατίθενται σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει την ανάλυση του ρύπου PM 1 με βάση την ωριαία και την ημερήσια κατανομή και η δεύτερη, την αντίστοιχη ανάλυση του ρύπου PM 2.5. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται και σχολιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την εργασία και οι προτεινόμενες παρεμβάσεις - αλλαγές. 1.4 Μεθοδολογία Για την περαίωση των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά όργανα μέτρησης από τον εξοπλισμό του Εργαστηρίου Μετάδοσης Θερμότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής. 2

11 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Το πρώτο όργανο (Dusttrak 8520), χρησιμοποιήθηκε στην περιοχή βασιλίσσης. Όλγας για την καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 την περίοδο 21 Μαΐου έως 30 Νοεμβρίου Για το σκοπό αυτό, το όργανο τοποθετήθηκε στο δώμα του πρώτου ορόφου της πολυκατοικίας, και εξασφαλίστηκε με το απαραίτητο δέσιμο και στερέωμα του, η προστασία του διερχόμενου πληθυσμού. Επίσης το ίδιο όργανο χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 στην περιοχή της Πυλαίας την περίοδο 14 Δεκεμβρίου 2012 έως 31 Μαΐου Για το σκοπό αυτό το όργανο τοποθετήθηκε στη στέγη του δημαρχείου της Πυλαίας, με τις αντίστοιχες προδιαγραφές. Το δεύτερο όργανο (Aeroqual AQM 60), χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 και PM 2.5 στην περιοχή της Πυλαίας, στο ίδιο σημείο που προαναφέρθηκε την περίοδο 3 Μαΐου 2012 έως 28 Ιουλίου 2012, όπου και σταμάτησε η καταγραφή λόγω βλάβης του οργάνου. 3

12

13 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 2. ΛΕΠΤΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 2.1 Γενικά Η στερεή ή υγρή ύλη στον αέρα και γενικότερα στην ατμόσφαιρα, η οποία αποτελείται από διακριτά σωματίδια σε διασπορά, με μέγεθος από 0,001 μm έως και 100 μm, έχει επικρατήσει και είναι γνωστή με τον όρο αερολύματα (aerosols), ή αιωρούμενα σωματίδια (particulate matters). Τα σωματίδια αυτά είναι εμφανή στην ατμόσφαιρα κυρίως με τις παρακάτω μορφές : Σκόνη (dust): Στερεά σωματίδια μεγάλου σχετικά μεγέθους Καπνός (smoke): Λεπτά σωματίδια από ατελείς καύσεις, κυρίως άνθρακα Ιπτάμενη τέφρα (fly ash): Λεπτά σωματίδια τέφρας που παρασύρονται με καυσαέρια Ομίχλη (fog): Ορατά σταγονίδια σε διασπορά στην ατμόσφαιρα Νέφος (smog): Συνδυασμός ομίχλης και καπνού Γύρη (pollen) Θαλασσινό αλάτι (sea salt) Αιθάλη (soot): Συσσώρευση σωματιδίων άνθρακα από την καύση ανθρακικών ενώσεων (Τσιλιγκιρίδης Γ., 2008). Εικόνα 2.1: Τα κυριότερα είδη αερολυμάτων σε ηλεκτρονική μεγέθυνση (Ανδρίτσος, 2007). Ένα από τα βασικότερα στοιχεία που χαρακτηρίζουν τα αιωρούμενα σωματίδια είναι η ισοδύναμη αεροδυναμική διάμετρος, η οποία ορίζεται ως η διάμετρος μιας σφαίρας με πυκνότητα ίση με τη μονάδα (1 g cm -3 ), που έχει την ίδια ταχύτητα καθίζησης στον αέρα με το θεωρούμενο σωματίδιο (Ρεμουντάκη, 2004). Το χαρακτηριστικό αυτό είναι πολύ σημαντικό διότι σχετίζεται άμεσα με το χρόνο παραμονής των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, αλλά και με την εναπόθεση τους στο 5

14 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ αναπνευστικό σύστημα των ζωντανών οργανισμών. Αναφέρεται ότι τα σωματίδια μεγέθους έως 1 μm έχουν χρόνο παραμονής στην κατώτερη ατμόσφαιρα ίσο με μια εβδομάδα. Σημαντικό είναι επίσης να αναφερθεί ότι τα σωματίδια μπορούν να μεταφερθούν στην ατμόσφαιρα σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις από τις πηγές εκπομπής τους, ανάλογα και με τις επικρατούσες καιρικές συνθήκες (Ρεμουντάκη, 2004). 2.2 Κατηγορίες αιωρούμενων σωματιδίων Στην ατμόσφαιρα υπάρχει πολύ μεγάλη ποικιλία σωματιδίων, επομένως είναι σκόπιμο να χωριστούν σε κάποιες κατηγορίες, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα μελέτης τους. Παρακάτω παρουσιάζεται μια βασική κατηγοριοποίηση: Μέγεθος Προέλευση Τρόπος σχηματισμού Με βάση το μέγεθος Ο διαχωρισμός των σωματιδίων με βάση το μέγεθος, και επομένως με την αεροδυναμική διάμετρο, είναι πολύ σημαντικός αφού σχετίζεται άμεσα με βασικές παραμέτρους όπως είναι ο χρόνος ζωής, ο πληθυσμός, η μορφή τους, αλλά και οι επιπτώσεις στη δημόσια υγεία. Υπάρχει λοιπόν ο εξής διαχωρισμός: Αδρό κλάσμα (coarse) με μέγεθος που κυμαίνεται από 1 έως 100 μm, Λεπτό κλάσμα (fine) με μέγεθος από 0,1 έως 1 μm Υπέρλεπτο κλάσμα (ultra fine) με μέγεθος από 0,001 έως 0,1 μm Εικόνα 2.2: Συσχέτιση του χρόνου ζωής των σωματιδίων με βάση την αεροδυναμική διάμετρο (Ανδρεοπούλου, 2012). 6

15 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Τέλος, αναφέρεται ότι είναι ευρέως γνωστός ο παρακάτω συμβολισμός με βάση το μέγεθος των σωματιδίων ως εξής: PM 10 (με διάμετρο έως 10μm) PM 2.5 PM 1 PM Mε βάση την πηγή προέλευσης Τα αερολύματα χωρίζονται επίσης σε δύο μεγάλες υποκατηγορίες ανάλογα με την πηγή προέλευσης τους, σε σωματίδια από φυσικές δραστηριότητες και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Έχει αποδειχθεί ότι, παρόλο που οι εκπομπές από τις φυσικές δραστηριότητες ξεπερνούν τις ανθρωπογενείς, σε τοπικό επίπεδο δυστυχώς συμβαίνει το αντίθετο (Φυτιανός et al., 2009). Οι φυσικές πηγές διακρίνονται στις παρακάτω: Επιφάνεια θαλασσών Επιφάνεια εδάφους Ανεξέλεγκτες πυρκαγιές, κυρίως σε δάση Ηφαίστεια Φυτά και δένδρα (πηγή βιογενούς ύλης) (Τσιλιγκιρίδης, 2008). Οι ανθρωπογενείς πηγές είναι οι εξής: Βιομηχανικές διεργασίες, τόσο για την επεξεργασία πρώτων υλών, όσο και για την παραγωγή έτοιμου προϊόντος Άλλες υπηρεσίες κοινής ωφέλειας (υγειονομική ταφή απορριμμάτων, βιολογικοί καθαρισμοί) Διεργασίες καύσης (θέρμανση κτιρίων) Γεωργία Μέσα μεταφοράς Μεγάλα κατασκευαστικά έργα (Τσιλιγκιρίδης, 2008). 7

16 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Στον πίνακα 2.1 φαίνεται η κατανομή των εκπομπών των ολικών αιωρούμενων σωματιδίων ανά κύρια πηγή εκπομπής Πίνακας 2.1: Τυπικά ποσοστά συνεισφοράς πηγών εκπομπών αιωρούμενων σωματιδίων (Μελάς Δ., 2007). Πηγές Ποσοστό στις συνολικές εκπομπές Βιομηχανικές δραστηριότητες 38 Στάσιμες πηγές καύσης 25 Μέσα μεταφοράς 20 Άλλες πηγές Με βάση τον τρόπο σχηματισμού Σύμφωνα με την παραπάνω κατηγορία, τα σωματίδια χωρίζονται σε πρωτογενή και δευτερογενή. Πρωτογενή είναι εκείνα που εκπέμπονται απευθείας στην ατμόσφαιρα, ανεξαρτήτου πηγής και δευτερογενή είναι εκείνα που σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα, μέσω κάποιων φυσικών ή χημικών διεργασιών. Στα πρωτογενή συμπεριλαμβάνονται γενικά, η σκόνη εδάφους, τα θαλάσσια σταγονίδια, οι εκπομπές των ηφαιστείων, τα οργανικά αερολύματα και οι βιομηχανικές εκπομπές, η αιθάλη και οι εκπομπές από την καύση βιομάζας (ανθρωπογενείς πηγές). Στα δευτερογενή, έχουμε κυρίως τα θειικά αερολύματα από βιογενή αέρια, αλλά και από συγκεντρώσεις SO 2 λόγω των ηφαιστείων, τα οργανικά από βιογενείς πτητικές οργανικές ενώσεις (voc), και τα νιτρικά από τα NO x (φυσικές πηγές). Τέλος, έχουμε πάλι τα θειικά λόγω της οξείδωσης του SO 2 το οποίο όμως έχει προέλθει από μη φυσικές δραστηριότητες, τα νιτρικά από τα NO x, και τα οργανικά από ανθρωπογενή vocs (Tσιλιγκιρίδης, 2008). 2.3 Σύσταση αιωρούμενων σωματιδίων Η σύσταση των αιωρούμενων σωματιδίων είναι ένας παράγοντας κατηγοριοποίησης. Παρόλα αυτά επιλέχθηκε να παρουσιαστεί ξεχωριστά με σκοπό την εκτενέστερη αναφορά, μέσω της οποίας μπορεί να γίνει εκτενέστερη ανάλυση για το συσχετισμό τους με τη δημόσια υγεία. Γενικά, με βάση τη σύσταση τους τα αερολύματα χωρίζονται σε ανόργανα (στερεό ανόργανο υλικό, υδατοδιαλυτά ανόργανα άλατα, στοιχειακός άνθρακας, κ.α.), και σε οργανικά (οργανικός άνθρακας) (Φυτιανός, 2009). Επίσης, υπάρχει συσχετισμός ανάμεσα στα συστατικά στοιχεία των αερολυμάτων και στην αεροδυναμική τους διάμετρο. Στην εικόνα 2.3 φαίνεται η διαφοροποίηση βασικών κατηγοριών συστατικών στοιχείων αερολυμάτων με τη διάμετρο τους. 8

17 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 2.3: Συσχέτιση ανάμεσα στη διάμετρο και τα συστατικά αερολυμάτων (Air Resources Board, 2007). Βέβαια, η ποσοστιαία αναλογία ανόργανου και οργανικού κλάσματος των σωματιδίων είναι αστάθμητος παράγοντας και διαφοροποιείται από περιοχή σε περιοχή. Έτσι σε ρυπασμένες π.χ. αστικές περιοχές τα πιο μικρά σωματίδια μπορεί να περιέχουν μέχρι και 40% άνθρακα, ενώ τα μεγάλα είναι κυρίως ανόργανα (Φυτιανός, 2009). Ο τομέας των μεταφορών χαρακτηρίζεται από τον πολύ μεγάλο ρυθμό αύξησης της ενεργειακής κατανάλωσης στην ΕΕ. Ενδεικτικά αναφέρεται αύξηση 21%, έναντι του 6,7% για τους άλλους τομείς. Είναι γεγονός, ότι περισσότερο από το 30% της τελικής ενέργειας στην ΕΕ καταναλώνεται στις μεταφορές, καθιστώντας αυτές, πολύ σημαντική πηγή ρύπων, με μεγάλη προτεραιότητα στις δράσεις για τη βελτίωση της ποιότητας ατμόσφαιρας (Μουσιόπουλος Ν., 2003). Μία άλλη ποσοτική τώρα ανάλυση που φαίνεται και στην εικόνα 2.4, δείχνει ότι τα μέσα μεταφοράς είναι από τις μεγαλύτερες πηγές αιωρούμενων σωματιδίων (σημειώνεται εδώ ότι η αναφορά γίνεται για τα σωματίδια μικρής διαμέτρου και όχι για τα ολικά). Γεγονός που εξηγεί εν μέρει την παρατηρούμενη μείωση των εκπομπών (στα συστατικά που αφορούν την οδική κυρίως κυκλοφορία) τους καλοκαιρινούς μήνες. Παρότι συνολικά είναι πολύ δύσκολο, και αποδεικνύεται αυτό εφόσον ένα μεγάλο μέρος (80% περίπου) της συνολικής μάζας των αερολυμάτων δεν έχει αναλυθεί, έχουν καταγραφεί αρκετά συστατικά στοιχεία των αερολυμάτων από πολλές πηγές, όπως σίδηρος (Fe), μαγγάνιο (Μn), χρώμιο (Cr), ασβέστιο (Ca), κυρίως από βιομηχανίες χάλυβα, ή αρσενικό (As), σελήνιο (Se), θείο (S), υδράργυρος (Hg), και μολυβδαίνιο (Mo) από εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν ακόμα κατά μεγάλο ποσοστό λιγνίτη (Querol, 2008). 9

18 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Χάριν συντομίας, παρατίθεται ο πίνακας 2.2 με τα κυριότερα συστατικά και τις πηγές αντίστοιχα, των αιωρούμενων σωματιδίων. Εικόνα 2.4: Συνεισφορά διαφόρων πηγών σε εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων μικρής διαμέτρου (Querol, 2008). Πίνακας 2.2 : Συστατικά και πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων (Querol, 2008). Πηγές Ένωση/στοιχείο Αναφορές Επιφάνεια φλοιού Sc, Ce, Sm, Fe, Al Lee et al., 1994, Koistinen et al., 2004 Εδάφους/φλοιού Si Chan et al., 1991 Σχετικές με το έδαφος Si, Fe Janssen et al., 1997 Έδαφος Mn, Al, Sc Huang et al., 1994 Σκόνη εδάφους Al, Si, Fe Maenhaut et al., 1989 Ορυκτών-φλοιού Al, Si, Fe, Ca, (Mg), Mn, K, Ti, Zr, Rb, Sr, Sc, Cs, U, Th, Li Querol et al., 1996, 2001, 2004, 2007 Alastuey et al., 2005 Viana et al., 2005 Moreno et al., 2005 Θαλασσινά αερολύματα Soluble Na, Cl, (Mg) Περισσότερες έρευνες Κυκλοφορία Zn, Ba, Al, Cr, Fe, Hg, La, Mg, Mn, Na, Sb, Sc, V, OC, 10 Allen et al., 2001

19 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ BC Κυκλοφορία TC, BC, Cu, Zn, Pb Laschober et al., 2004 Κυκλοφορία Cu, BC, Fe, Zn Yli-Tuomi et al., 2005 Κυκλοφορία OC, EC, NO - 3, Sn, Sb, Ba, Cu Querol et al., 2001, Rodriguez et al., 2003, Viana et al., 2007 Σκόνη φρένων SiO 2, Mg, Ba Hildemann et al., 1991 Φθορά ελαστικών Zn Harrison et al., 1996 Φθορά οχημάτων Cu, Zn, Pb, Ba, Mo Harrison et al., 2003 Κυρίως από φθορές Cu, Zn, Pb, Ba, Cd, Sb, (Fe) Sternbeck et al., 2002 Cu, Ba, Sb brakes Εξατμίσεις βενζινοκίνητων οχημάτων και φθορά ελαστικών V, Cr, Zn, Sr, Pb, Mo, Ag Schauer J.J. et al., 2006 HEI Σκόνη οδικού δικτύου S, Mg, Al, K, Ca; Fe and Ti, Sr, Cd, Pb Schauer J.J. et al., 2006 HEI Σκόνη φρένων Fe, Cr, Mn, Cu, Zn, Sb, Ba Schauer J.J. et al., 2006 HEI Εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που καίνε λιγνίτη As, Se, S, Mo, Hg (much reduced with FGD systems) Pacyna, 1984, Huang et al., 1994, Ojanen et al., 1998, Harrison et al., 1996, Fungand Wong, 1995 ΧΥΤΑ Zn, Cu, Hg, Pb, Sb, Pacyna, 1984, Van Borm et al., 1990, Harrison et al., 1996, Sweet et al., 1993, Parekh et al.,1987 Καύση βιομάζας K, VC, EC Huang et al., 1994, Janssen et al., 1997, Ojanen et al. 1998, Chan et al., 1991 Βιομηχανία χάλυβα Fe, Mn, Cr, Ca Ojanen et al., 1998, Huang et al

20 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Βιομηχανία ανοξείδωτου χάλυβα V, Cr, Ni, Mo Querol et al., 2004 Χυτήρια Fe, Zn, Pb, Mn Swietlicki et al., 1996 Χυτήρια ψευδαργύρου Zn, Cd, Pb, Sn Sweet et al., 1993 Χυτήρια σιδηροπυρίτη As, Cu Pio et al., 1996 Χυτήρια χαλκού As, Cu, Bi Querol et al., 2004, 2007, Alastuey et al., 2007, Sánchez et al., 2007 Εργοστάσια ηλεκτρικής ενέργειας που καίνε πετρέλαιο V, Ni, La, Sm, S Pavyna, 1984, Ojanen et al., 1998, Huang,1994 Είναι γνωστό ότι καθώς μικραίνει η διάμετρος των σωματιδίων, αυξάνεται η ειδική τους επιφάνεια (όγκος ανά μονάδα μάζας), στοιχείο που σχετίζεται άμεσα με την προσροφητική τους ικανότητα (Κατσίρη, 2004). Με βάση τον παραπάνω ισχυρισμό επιλέχθηκε να παρουσιαστούν κάποια συστατικά και στατιστικά στοιχεία για την ομάδα των σωματιδίων PM 1. Εικόνα 2.5: Συγκεντρώσεις οργανικού και στοιχειακού άνθρακα σε 2 πόλεις (Hillamo, 2007). 12

21 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 2.6: Συνεισφορά διαφόρων πηγών στη συγκέντρωση οργανικού και υδατοδιαλυτού άνθρακα (Hillamo, 2007). Συσχετίζοντας τις εικόνες 2.5 και 2.6, είναι εμφανείς οι μειωμένες συγκεντρώσεις άνθρακα των σωματιδίων PM 1 τους καλοκαιρινούς μήνες, αλλά και η μειωμένη συνεισφορά της κυκλοφορίας και των διασυνοριακών μεταφορών. Αντίθετα, η συνεισφορά των δευτερογενών οργανικών αερολυμάτων τους ίδιους μήνες είναι μεγάλη. Επίσης, παρατηρούνται μεγαλύτερες συγκεντρώσεις το χειμώνα γενικά, αλλά και μεγαλύτερες τώρα επιδράσεις από τις διασυνοριακές μεταφορές, την κυκλοφορία και την καύση βιομάζας. Στην εικόνα 2.7, φαίνονται ακόμη πιο ξεκάθαρα, σε ποσοστά επί τις εκατό οι αντίστοιχες συνεισφορές. Εικόνα 2.7: Ποσοστά επί τις εκατό σε οργανικό και υδατοδιαλυτό οργανικό άνθρακα, τις 4 εποχές του χρόνου (Saarikoski et al., 2008). 13

22 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Tέλος, στον πίνακα 2.3 φαίνονται τα συστατικά στοιχεία των σωματιδίων PM 1, αλλά και η συνολική μάζα τους στην πόλη Xi an της Κίνας. Τα στοιχεία είναι διαχωρισμένα στις 4 εποχές του χρόνου. Ο πίνακας αποτελείται από 5 διπλές στήλες, για το μέσο όρο (Mean) και για την τυπική απόκλιση (SD). Οι τέσσερις πρώτες αναφέρονται στις εποχές από την άνοιξη μέχρι και το χειμώνα, και η τελευταία διπλή στήλη αναφέρεται σε όλο το χρόνο. Οι συγκεντρώσεις είναι μετρημένες σε μg/m 3, και ο όρος LD (χαμηλότερη συγκέντρωση από το όριο ανίχνευσης) στον πίνακα αναγράφεται διότι οι συγκεντρώσεις του συγκεκριμένου στοιχείου είναι μικρότερες από το όριο ανίχνευσης. Πίνακας 2.3: Συγκεντρώσεις συστατικών στοιχείων PM 1 (American Association for Aerosol Research, 2010). στην πόλη Xi an της Κίνας μg/m 3 Mean SD Mean SD Mean SD Mean SD Mean SD PM Na NH K Mg Ca F - LD LD LD LD Cl NO 3 - SO OC EC Μηχανισμοί απομάκρυνσης-μετατροπής αιωρούμενων σωματιδίων Τα αιωρούμενα σωματίδια κατά την εκπομπή τους στην ατμόσφαιρα συμμετέχουν σε διάφορες διεργασίες λόγω του μεγέθους, αλλά και της σύστασης τους, με αποτέλεσμα την μετατροπή ή την απομάκρυνση τους (Φυτιανός, 2009). Σημαντικότερες είναι οι εξής: Συσσωμάτωση Υγρή απόθεση Ξηρή απόθεση Καθίζηση 14

23 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Στη συσσωμάτωση κυρίως τα σωματίδια PM 1 συγκρούονται με μόρια αερίων έχοντας μεγάλη ταχύτητα διάχυσης, με αποτέλεσμα να συσσωματώνονται σε μεγαλύτερα σωματίδια (Φυτιανός, 2009). Η υγρή απόθεση συμβαίνει όταν, είτε οι ρύποι που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα σαρώνονται από τη βροχή ή το χιόνι (απόπλυση), είτε γίνεται πρόσληψη των ρύπων σε ένα προηγούμενο στάδιο από τα μικρά σταγονίδια του νέφους, τα οποία αργότερα ενώνονται μεταξύ τους φτιάχνοντας σταγόνες βροχής (Μελάς, 2007). Στην ξηρή απόθεση τα σωματίδια (πιο μικρά συνήθως) αποτίθενται στο έδαφος, σε ωκεανούς, κ.α., λόγω βαρυτικής καθίζησης μέσω του οριακού στρώματος (Φυτιανός, 2009). Τέλος, η καθίζηση είναι απλά η πτώση των μεγάλων σωματιδίων λόγω βαρύτητας. Στην εικόνα 2.8 φαίνονται οι κύριες διεργασίες σχηματισμού. Εικόνα 2.8: Κύριες διεργασίες σχηματισμού, ανάλογα και με το μέγεθος των σωματιδίων (Φυτιανός, 2009). 15

24 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 2.5 Επίδραση στην ορατότητα Η ορατότητα ορίζεται ως η μέγιστη απόσταση από την οποία ένα φαιό αντικείμενο με κατάλληλες διαστάσεις, το οποίο βρίσκεται κοντά στο έδαφος, μπορεί να παρατηρηθεί, να αναγνωριστεί και να μειωθεί λόγω της οπτικής σκέδασης των σωματιδίων (Ηinds, 1999). Oι παράγοντες που επηρεάζουν την ορατότητα είναι τα χαρακτηριστικά της πηγής φωτός, οι ιδιότητες των παρατηρούμενων αντικειμένων, η ατμόσφαιρα που παρεμβάλλεται και οι οπτικές ικανότητες του παρατηρητή (Boubel et al., 1994). Η μείωση της ορατότητας είναι φαινόμενο συχνά εμφανές και επηρεάζει αρνητικά την ποιότητα ζωής των ανθρώπων, τη λειτουργία του δορυφορικού συστήματος, και φυσικά, κάθε μεμονωμένη ανθρώπινη δραστηριότητα. Εστιάζοντας λοιπόν στη μείωση της ορατότητας λόγω των σωματιδίων, υπάρχουν δύο φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα, η σκέδαση και η απορρόφηση του φωτός από τα σωματίδια. Τέλος, ο δευτερογενής ρύπος διοξείδιο του αζώτου (ΝO 2 ) που δημιουργείται στην ατμόσφαιρα, έχει την ικανότητα να απορροφά ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος του ορατού φωτός, αναγκάζοντας το ανθρώπινο μάτι να παρατηρεί μόνο ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος (Boubel et al., 1994). Στην εικόνα 2.9 φαίνονται τα παραπάνω φαινόμενα. Εικόνα 2.9: Φαινόμενα μείωσης ορατότητας (Ανδρίτσος, 2007). 1: φωτόνια κατευθείαν στο μάτι 2: φωτόνια σκεδάζονται 3: απορρόφηση από σωματίδια 4: σκέδαση από περισσότερα του ενός σωματίδια Οι προηγούμενοι ισχυρισμοί γίνονται εμφανείς και στην εικόνα

25 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 2.10: Φωτογραφία της πόλης Pittsburgh δύο διαφορετικές ημέρες, με διαφορά στη συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων (Ανδρίτσος, 2007). 2.6 Επίδραση στις ατμοσφαιρικές συνθήκες Αποτελέσματα ερευνών, έχουν δείξει ότι τα αερολύματα επηρεάζουν άμεσα και έμμεσα τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και γενικότερα το κλίμα. Η άμεση επίδραση σχετίζεται με τους γνωστούς μηχανισμούς σκέδασης και απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Αποτέλεσμα των διεργασιών αυτών είναι η μείωση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος, αλλά και μείωση γενικά της θερμοκρασίας. Φυσικά έχουμε αύξηση του κλάσματος της ανακυκλωμένης ακτινοβολίας που επιστρέφει στο διάστημα (West et al., 1997, Highwood et al., 2006). Η έμμεση επίδραση σχετίζεται με περίπλοκους μηχανισμούς και είναι συνυφασμένη με τα δημιουργούμενα νέφη. Αυτό συμβαίνει κυρίως με σωματίδια τα οποία έχουν μεγάλη περιεκτικότητα σε ανόργανα άλατα, και τα οποία δρουν ως πυρήνες συμπύκνωσης, βασικός δηλαδή μηχανισμός στη δημιουργία νεφών (Biskos, 2004, West et al., 1997). Τα νέφη ανακλούν με τη σειρά τους ένα μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας, συνεισφέροντας στη μείωση της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας. 2.7 Αιωρούμενα σωματίδια και δημόσια υγεία Ξεκινώντας το κεφάλαιο αυτό, θεωρήθηκε σημαντικό να δοθεί ένα στατιστικό στοιχείο για να γίνει κατανοητή η αναγκαιότητα της μείωσης της συγκέντρωσης των σωματιδίων. Έτσι, αν υποθέσουμε ότι ένας άνθρωπος βρίσκεται και ζει σε αστική περιοχή, η συγκέντρωση των συνολικών σωματιδίων αυτής είναι της τάξης των 100 μg/m 3 ή σωματίδια ανά cm 3. Λαμβάνοντας υπόψη λοιπόν ότι ένας μέσος άνθρωπος αναπνέει περίπου 6 λίτρα αέρα το λεπτό (περίπου 12 αναπνοές), δηλαδή περίπου 500 cm 3 σε κάθε αναπνοή, συμπεραίνεται ότι λαμβάνει σχεδόν σε κάθε αναπνοή 5*10 7-5*10 8 σωματίδια (Κουλλαπής Ν., 2010). Στις εικόνες 2.11 και 2.12 φαίνονται δύο πολύ γνωστά γεγονότα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. 17

26 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 2.11: Donora smog 1948 (Κουλλαπής, 2010). Επακόλουθο του γεγονότος αυτού ήταν 20 θάνατοι, 7000 άρρωστοι και 600 εισαγωγές στα νοσοκομεία σε 1-2 μέρες. Εικόνα 2.12: 1952 London smog (Κουλλαπής, 2010). Σε αυτό το γεγονός καταγράφηκαν περίπου 4000 θάνατοι και άρρωστοι. Είναι ευρέως γνωστό, ότι η ικανότητα του αναπνευστικού συστήματος του ανθρώπου να φιλτράρει και να προστατεύεται από πάσης φύσεως σωματίδια εξαρτάται άμεσα από τη 18

27 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ διάμετρο τους. Στις εικόνες 2.13 και 2.14 φαίνονται το κύριο αναπνευστικό σύστημα (Α.Σ.) του ανθρώπου και η απόθεση των σωματιδίων στο σύστημα αυτό, ανάλογα με τη διάμετρο τους. Εικόνα 2.13: Κύριο αναπνευστικό σύστημα (Cassee, 2008). Εικόνα 2.14: Απόθεση των σωματιδίων στο Α.Σ. σε σχέση με τη διάμετρο τους(cassee, 2008). 19

28 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Πιο αναλυτικά, καθώς αναπνέουμε ο αέρας εισέρχεται από τα ρουθούνια και φιλτράρεται αρχικά από ένα σύστημα τριχοειδών ινών της μύτης. Αυτό το σύστημα κατακρατεί κυρίως τα μεγαλύτερα σωματίδια, τα οποία δεν καταφέρνουν να εισέλθουν στο βαθύτερο σύστημα αναπνοής. Στη συνέχεια της «διαδρομής» τους, τα σωματίδια συναντούν τρεις διόδους καλυμμένες από βλεννώδη μεμβράνη. Λόγω του διαχωρισμού της ροής τους σε τρία μικρότερης διαμέτρου κανάλια, τα σωματίδια αναγκάζονται να αλλάξουν την αρχική τους διεύθυνση, με αποτέλεσμα κάποια από αυτά να προσπίπτουν πάνω στην μεμβράνη και να κατακρατούνται από αυτή. Ο αέρας λοιπόν, φτάνοντας στον φάρυγγα έχει «καθαριστεί» μέσω του αρχικού συστήματος από σωματίδια με διάμετρο μεγαλύτερη από 10μm. Το βαθύτερο σύστημα αποτελείται από διόδους, των οποίων η επιφάνεια είναι καλυμμένη από ένα εξειδικευμένο κυτταρικό στρώμα, γνωστό και ως κροσσωτό επιθήλιο. Τα κύτταρα του επιθηλίου παράγουν συνεχώς βλέννα η οποία κινείται προς το ανώτερο σύστημα αναπνοής. Με αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια διαμέτρου από 2 έως 10 μm που προσκολλώνται στη βλέννα, αποβάλλονται από τους πνεύμονες με το φτέρνισμα ή το βήχα. Σωματίδια όμως, διαμέτρου μικρότερης από 2 μm καταφέρνουν και αποφεύγουν τους προηγούμενους μηχανισμούς και εισέρχονται στις κυψελίδες των πνευμόνων, όπου εγκαθίστανται και έχουν τη δυνατότητα να εισέλθουν στο κυκλοφορικό σύστημα. Εκεί μπορούν να προκαλέσουν τοπικό ερεθισμό και στη συνέχεια συστηματικό, με άσχημες επιπτώσεις για τους πνεύμονες, αλλά και την καρδιά. Παρόλα αυτά, τα εξειδικευμένα φαγοκύτταρα των κυψελιδικών μακροφάγων, περιβάλλουν και παγιδεύουν σε λίγες ώρες τα σωματίδια αυτά, και σε συνεργασία με τους προηγούμενους μηχανισμούς καταφέρνουν να τα αποβάλλουν από το σύστημα. Δυστυχώς όμως, σωματίδια διαμέτρου ενός μm και μικρότερης προσλαμβάνονται από το λυμφατικό σύστημα (Κωτσοβίνου, 1992). Σωματίδια διαμέτρου μικρότερης των 0,01μm, λόγω του μεγέθους τους δεν προλαβαίνουν να κατακαθίσουν και αποβάλλονται άμεσα με τον κύκλο εισπνοής-εκπνοής (Oberdorster, 1995). Είναι εμφανές και αποδεδειγμένο λοιπόν ότι τα λεπτά και τα υπέρλεπτα σωματίδια είναι τα πιο επικίνδυνα για τη δημόσια υγεία. Αν λάβουμε υπόψη ότι τα σωματίδια αυτά αποτελούνται, όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο, από βαρέα μέταλλα (π.χ., Pb, Cd, Ni, Cu, Zn), γνωστά για την κυτταροτοξική τους δραστηριότητα (Seagrave et al., 2006, Veranth et al., 2007, Gilmour et al., 2007, Duvall et al., 2008), αλλά και από πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, οι οποίοι είναι καρκινογόνοι, γίνεται αντιληπτό το μέγεθος των επιπτώσεων που είναι ικανά να προκαλέσουν. Έτσι σε περιοχές με υψηλή συγκέντρωση σε αερολύματα, είναι επιτακτικό να γίνεται συνεχής έλεγχος για την υγεία, ιδιαίτερα των ευπαθών ομάδων. Τα κύρια τοξικολογικά συμπεράσματα, τα οποία είναι σημαντικά για τις διάφορες νόσους που απασχολούν την ανθρώπινη κοινότητα, περιλαμβάνουν περιστατικά απλών και συστηματικών φλεγμονών, περιστατικά επίσης τοξικότητας των κυττάρων και των γονιδίων, προκαλώντας έτσι βλάβη στους ιστούς και αύξηση των εμφανίσεων καρκίνου. Οι 20

29 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ φλεγμονώδεις διεργασίες στους βρόγχους και στις κυψελίδες των πνευμόνων, έχουν συνδεθεί με εμφανίσεις χρόνιας βρογχίτιδας και άσθματος. Οι διαδικασίες αυτές που λαμβάνουν χώρα στις κυψελίδες και στην κυκλοφορία του αίματος, μπορούν να επηρεάσουν ακόμα και τα τοιχώματα των αρτηριών, αλλά και την καρδιά, δημιουργώντας προβλήματα, όπως η αύξηση της πήξης του αίματος (βασικότερος παράγοντας για τον κίνδυνο θρομβώσεων), καρδιακή αρρυθμία και οξεία ρήξη της αθηρωματικής πλάκας που δύναται να οδηγήσει τελικά σε έμφραγμα. Τέλος, η διείσδυση των υπέρλεπτων σωματιδίων στον εγκέφαλο μπορεί να διαταράξει πλήρως το κεντρικό νευρικό σύστημα (Calderón-Garcidueňas et al., 2008, Mills et al., 2009, Campbell et al., 2009). Σύμφωνα με τη μεγαλύτερη και πιο γνωστή βάση δεδομένων, μελέτες για τις ανομοιογενείς επιδημιολογικές επιδράσεις στην υγεία, σε συνάρτηση με το μέγεθος των σωματιδίων, συμφωνούν ότι υπάρχουν τρανταχτές αποδείξεις ότι τα θωρακικά σωματίδια (PM 10 ), και κυριότερα τα λεπτά σωματίδια (PM 2.5 ), είναι άμεσα συνδεδεμένα με την πρόωρη θνησιμότητα, τις επισκέψεις σε νοσοκομεία, αλλά και με τις μειωμένες λειτουργίες του αναπνευστικού και του καρδιαγγειακού συστήματος (WHO, 2004, 2005). Μεγαλύτερα από αυτά σωματίδια, δε συνδέονται συνήθως με τις παραπάνω επιπτώσεις, αλλά είναι υπεύθυνα για επισκέψεις σε νοσοκομεία και για περιστατικά δύσπνοιας σε ομάδες υψηλού κινδύνου κυρίως (WHO, 2004, 2005, Brunekreef and Forsberg, 2005). Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που προκαλεί ανομοιογένειες στις επιπτώσεις της υγείας, φαίνεται ότι είναι η περίοδος έκθεσης. Υψηλές ωριαίες και ημερήσιες μέσες συγκεντρώσεις, είναι επικίνδυνες όχι μόνο για άτομα με χρόνιο πρόβλημα του αναπνευστικού, αλλά και σε άτομα με ισχαιμική καρδιακή νόσο. Επίσης, σε ανθρώπους που ζουν σε περιβάλλον με αυξημένες συγκεντρώσεις σωματιδίων, δείχνει όχι μόνο έξαρση της κάθε νόσου, αλλά και καινούργια συμπτώματα χρόνιων πνευμονικών και καρδιαγγειακών παθήσεων. Συμπερασματικά, φαίνεται ότι ο πληθυσμός αυτός έχει μικρότερο προσδόκιμο ζωής σε σχέση με άτομα που ζουν σε καθαρότερο περιβάλλον (Hitzenberger R., 2008). Πιο συγκεκριμένα, στον πίνακα 2.4 βλέπουμε κάποιες ανομοιογενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, συσχετισμένες με τα αμέσως προηγούμενα συμπεράσματα. Φυσικά, δεν εκπλήσσει το γεγονός ότι δείγματα αιωρούμενων σωματιδίων PM 10 που συλλέγονται σε διαφορετικές τοποθεσίες και εποχές, παρουσιάζουν ανομοιογένεια σε φλεγμονώδεις ή κυτταροτοξικές αντιδράσεις, αφού οι πηγές εκπομπής των PM 10 είναι πολυάριθμες και το εύρος του μεγέθους τους μπορεί να παρουσιάσει μεγάλη απόκλιση ανάλογα και με τα μετεωρολογικά δεδομένα (Monn et al., 2003, Salonen et al., 2004). Οι παράμετροι της μετεωρολογίας που επηρεάζουν τη διαμόρφωση των επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι: η διεύθυνση και η ένταση του ανέµου, η ευστάθεια της ατμόσφαιρας και ειδικά για τους φωτοχημικούς ρύπους η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και η διάρκεια της ηλιοφάνειας. Άλλες παράμετροι που συντελούν στη διαμόρφωση των 21

30 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι: η βροχόπτωση, η σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας και έµµεσα η θερμοκρασία (ΥΠΕΚΑ, 2012). Ωστόσο, υπάρχουν αποδείξεις ότι και τα χονδρόκοκκα και τα λεπτά σωματίδια που έχουν συλλεχθεί σε διαφορετικές εποχές, σε ένα ή σε πολλά μέρη, παρουσιάζουν ανομοιογένεια στις τοξικές δράσεις τους ανάλογα με το εύρος που κυμαίνεται το μέγεθος τους (Hitzenberger, 2008). Πίνακας 2.4: Χρονική, περιφερειακή και χωρική ανομοιογένεια στις σχέσεις συγκέντρωσηςαπόκρισης (βασισμένες στη μάζα) των αστικών αιωρούμενων σωματιδίων, με αναπνευστικές και καρδιαγγειακές επιπτώσεις υγείας από επιλεγμένες ευρωπαϊκές και αμερικανικές επιδημιολογικές μελέτες και σχόλια (Hitzenberger, 2008). ΕΙΔΗ Μεταβλητή Ανομοιογενείς Συμπεράσματα Αναφορές PM επιπτώσεις στην υγεία PM 2.5 Κεντρική Μεταβλητότητα Αυξημένη HRV και Gold et και τοποθεσία, καρδιακού παθολογικές μεταβολές al., 2000, υπέρλε χρονικός μέσος ρυθμού(hrv),αποστ ECG, έκθεση 1-ώρας Henneber πτα όρος: ώρες αθεροποιημένα «προσωπικής» και 4 ger et al., σωματί καρδιογραφήματα(e ώρες εξωτερικής σε 2005, δια CG),ισχαιμία του PM 2.5, συνδέονται με Lanki et μυοκαρδίου την ισχαιμία του al., 2008 μυοκαρδίου κατά την άσκηση. PM 10, Κεντρική Καρδιοαγγειακά Ποσοστό αύξησης της Review by black τοποθεσία, (CV), γενικής θνησιμότητας Pope and smoke χρονικός μέσος καρδιοαναπνευστικά ανά 10 μg/m 3 PM 2.5 ή 20 Dockery, όρος: μέρες- (CR) προβλήματα, μg/m 3 για τα PM 10 ή BS 2006 εβδομάδες- χρόνια ακόμα και θνησιμότητα από αναπνευστικό πρόβλημα Αύξηση: 0,8-1,3% για 1 ημέρα, 0,4-2,1% για 1 έως 3 ημέρες, 2,6-3,3% για 5 έως 40 ημέρες, και 3,2-17% για μήνες έως χρόνια. 22

31 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Ποσοστό αύξησης της CV/CR θνησιμότητας ανά 10 μg/m 3 PM 2.5 ή 20 μg/m 3 PM 10 ή BS Αύξηση: 0,8% για 1 ημέρα, 0,6-1,4% για 1 έως 3 ημέρες, 2,7-4,0% για 5 έως 40 ημέρες, 5,7-28% για τους επόμενους μήνεςχρόνια. Ποσοστιαία αύξηση της αναπνευστικής θνησιμότητας ανά 10 μg/m 3 PM 2.5 ή 20 μg/m 3 για τα PM 10 ή BS Αύξηση: 1,8% για 1 ημέρα, 0,6-1,5% για 1 έως 3 ημέρες, 3,4-8,6% για έως 40 ημέρες, 8,7% για μήνες έως χρόνια PM 2.5 Χωρική Ισχαιμική Ποσοστό αύξησης ανά Jerrett et ανάλυση σε καρδιοπάθεια (IHD), 10 μg/m 3 PM 2.5 σε al., 2005 συσχετισμό με και θνησιμότητα από μικρή περιοχή: 17% για την χρόνια καρκίνο του κάθε αιτία θνησιμότητας έκθεση πνεύμονα σε μια και 24-60% (ανάλογα με δεκαετία το μοντέλο) για την IHD και τον καρκίνο του πνεύμονα. 23

32 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Στις εικόνες 2.15 και 2.16 φαίνονται βασικές κατηγορίες επιπτώσεων και αλληλεπιδράσεων τους στην ανθρώπινη υγεία, και ο βασικός μηχανισμός για την αποτίμηση αυτών αντίστοιχα. Εικόνα 2.15: Επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία από την εισπνοή PM και αλληλεπιδράσεις αυτών(κουλλαπής, 2010). Εικόνα 2.16: Μηχανισμός αποτίμησης επιπτώσεων για την ανθρώπινη υγεία (Hitzenberger, 2008). Στο σημείο αυτό, είναι θεμιτό να παρουσιαστούν τα ισχύοντα και προτεινόμενα όρια για τα αιωρούμενα σωματίδια, αφού είναι άμεσος ο συσχετισμός τους με τη δημόσια υγεία. 24

33 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Οι οδηγίες που έχουν δοθεί μέχρι σήμερα και αφορούν στην ποιότητα της ατμόσφαιρας είναι: Οδηγία 2008/50/ΕΚ για την ποιότητα του ατµοσφαιρικού αέρα και καθαρότερο αέρα για την Ευρώπη (ΚΥΑ ΗΠ 14122/549/Ε103, ΦΕΚ 488Β/ ), η οποία συσσωµατώνει την 1996/62/EΚ και τις τρεις θυγατρικές της (1999/30/ΕΚ, 2000/69/ΕΚ και 2002/3/ΕΚ), όπως και την απόφαση 97/101/ΕΚ για την καθιέρωση διαδικασίας για την αµοιβαία ανταλλαγή πληροφοριών και δεδοµένων ατµοσφαιρικής ρύπανσης από µεµονωµένους σταθµούς και δίκτυα. Οδηγία 2004/107/ΕΚ σχετικά µε το αρσενικό, το κάδµιο, τον υδράργυρο, το νικέλιο και τους πολυκυκλικούς υδρογονάνθρακες στον ατµοσφαιρικό αέρα (ΚΥΑ ΗΠ 22306/1075/Ε103, ΦΕΚ 920Β/8.6.07). Πίνακας 2.5: Νομοθετικά όρια για τα σωματίδια PM 10 με εφαρμογή ισχύος από την 1/1/2005. Όρια Μέση ημερήσια τιμή να μην υπερβαίνεται περισσότερο από 35 φορές το χρόνο 50 μg/m3 Μέση ετήσια τιμή 40 μg/m 3 Για τα σωματίδια PM 2.5 έχει τεθεί ως στόχος, η μέση ετήσια τιμή να μην υπερβαίνει την οριακή τιμή των 25 μg/m 3, με εφαρμογή ισχύος από την 1/1/2015. Για τα σωματίδια PM 1, παρόλη την επικινδυνότητα τους δεν έχει τεθεί κάποιο όριο η στόχος. Τελικός στόχος για τις μέσες ετήσιες συγκεντρώσεις των σωματιδίων PM 2.5 και των PM 10 είναι οι οριακές τιμές των 10 μg/m 3 και 20 μg/m 3 αντίστοιχα. Όσον αφορά το στόχο των 20 μg/m 3 για τα PM 10, μελέτες έχουν δείξει ότι εφόσον επιτευχθεί, θα έχουμε μείωση κατά 15% σε θανάτους εξαιτίας της ποιότητας του αέρα (WHO, 2010). 2.8 Η κατάσταση σε ευρωπαϊκές πόλεις Στην εικόνα 2.17 φαίνονται οι συγκεντρώσεις των σωματιδίων PM 10 στο δεξί και PM 2.5 στο αριστερό γράφημα αντίστοιχα για διάφορες πόλεις της Ευρώπης. Το γκρι χρώμα αντιστοιχεί σε βιομηχανική περιοχή, το πράσινο σε αγροτική, το κίτρινο σε περιαστική, το κόκκινο σε αστικού υπόβαθρου και το μαύρο σε επίπεδο δρόμου. Για τα σωματίδια PM 10 εκτός του Λονδίνου και της Speulderbos, όλες οι υπόλοιπες πόλεις έχουν τιμές κάτω από το ημερήσιο και ετήσιο όριο, ενώ για τα PM 2.5 πάνω από τον ετήσιο μέσο όρο είναι το Ντούισμπουργκ και κάποιες περιοχές του Λονδίνου. Στη νότια Ευρώπη παρατηρούνται περισσότερες υπερβάσεις σε σχέση με την κεντρική, όπου επικρατεί μια καλή σχετικά εικόνα για τα PM 10, ωστόσο για τα PM 2.5 οι μεγαλουπόλεις της κεντρικής Ευρώπης είναι πάνω από το ημερήσιο όριο. 25

34 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 2.17: Συγκεντρώσεις PM 2.5 και PM 10 στην Ευρώπη (Hitzenberger, 2008). Δυστυχώς για τα PM 1 υπάρχουν ελάχιστες μετρήσεις στην Ευρώπη, και αυτές είναι από δυο σταθμούς μέτρησης, σε 2 πόλεις της Ισπανίας οι οποίες παρουσιάζουν κοινές μορφολογικές ιδιότητες με τη Θεσσαλονίκη και φαίνονται στις εικόνες 2.18 και 2.19 αντίστοιχα. Εικόνα 2.18: Μέσες μηνιαίες συγκεντρώσεις PM 1 σε δυο πόλεις της Ισπανίας το 2010 (European Environment Agency, 2010). 26

35 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 2.19: Μέσες ωραίες και ημερήσιες συγκεντρώσεις PM 1 το 2010 (European Environment Agency, 2010). Σχετικά με το ρύπο PM 1 δεν έχει θεσπιστεί κάποιο όριο και έτσι είναι αδύνατη η ανάλυση με αυτό το κριτήριο, παρόλο που κάποιες συγκεντρώσεις υπερβαίνουν και τα όρια - στόχους των σωματιδίων PM 2.5. Παρατηρούμε όμως, ότι για τις μέσες μηνιαίες συγκεντρώσεις και οι δυο αυτές ισπανικές πόλεις ακολουθούν το ίδιο μοτίβο, και είναι σαφείς οι αυξομειώσεις αυτών, όπως π.χ. η μεγάλη αύξηση το Μάρτιο που ενδεχομένως οφείλεται σε ένα διάστημα χαμηλών θερμοκρασιών με παρελκόμενα την αύξηση της λειτουργίας πηγών θέρμανσης, αλλά και την αύξηση της κυκλοφορίας ιδιωτικών οχημάτων. Επισημαίνεται ότι για την πόλη Gandia δεν υπάρχουν δεδομένα για τους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο. Η κυρίαρχη και ενδεχομένως μοναδική διαφορά που παρουσιάζουν οι δυο αυτές πόλεις είναι το ύψος των τιμών των συγκεντρώσεων. Παρόμοια συμπεράσματα εξάγονται και για τις μέσες ωριαίες συγκεντρώσεις, με τις δύο αιχμές, πρωινή (5-10) και απογευματινή (17-21) να είναι σαφείς, και με μόνη διαφορά τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις για την πόλη Pista de Silla. 27

36

37 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 3. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 3.1 Περίοδος και τοποθεσία μετρήσεων Μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 Οι μετρήσεις και η καταγραφή τους πραγματοποιήθηκε από το φορητό όργανο Dusttrak 8520 της εταιρίας TSI. Για το σκοπό της εργασίας, το όργανο τοποθετήθηκε στo δώμα του πρώτου ορόφου της πολυκατοικίας για την περιοχή Β. Όλγας (Μπότσαρη), στην οποία οι μετρήσεις διήρκησαν λίγο παραπάνω από 6 μήνες (21/5/2012 έως 30/11/2012). Η πρόσοψη του σημείου τοποθέτησης και της πολυκατοικίας βρίσκεται επί της οδού Β. Όλγας, στον αριθμό 97 και ο προσανατολισμός του είναι δυτικός με κάθετη και οριζόντια απόσταση από το δρόμο περίπου στα 5 και 4 μέτρα αντίστοιχα. Εικόνα 3.1: Σημείο τοποθέτησης του οργάνου στην οδό Β. Όλγας 97 (σημείο Α). Η τοποθεσία χαρακτηρίζεται από το μέτριο αερισμό, τα κτίρια με μέσο όρο 30 μέτρα ύψος, και τον μεγάλο κυκλοφοριακό φόρτο. Η κεντρική αυτή οδός είναι μονής κατεύθυνσης με 2 λωρίδες οχημάτων και μια λωρίδα λεωφορείων/έκτακτης ανάγκης. Ο μέσος κυκλοφοριακός φόρτος της οδού είναι της τάξης των με οχημάτων ημερησίως, με κύριο «εκπρόσωπο» τα επιβατικά οχήματα, που αποτελούν το 85% του συνόλου, αμέσως μετά είναι οι μηχανές και τα μηχανάκια με ποσοστό 12%, και ακολουθούν τα λεωφορεία και τα φορτηγά με 2% και 1% αντίστοιχα (Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας, 2006). Στην εικόνα 3.3 φαίνεται η κυκλοφορία των οχημάτων ανά ώρα σε ένα πολύ κοντινό σημείο των μετρήσεων μας, και συγκεκριμένα στην οδό Β. Όλγας στο ύψος της 28 ης Οκτωβρίου. 29

38 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Εικόνα 3.3: Ωριαία μέση τιμή κυκλοφορίας (Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας, 2006). Δυστυχώς τα πιο πρόσφατα δεδομένα που υπάρχουν είναι αυτά του έτους Έτσι, μπορούμε μόνο να υποθέσουμε κάποια αντίστοιχα νούμερα και για το 2012, μειωμένα βέβαια κατά ένα ποσοστό λόγω του φαινομένου της ευρωπαϊκής οικονομικής κρίσης. Επίσης τη χρονική περίοδο Μαΐου-Ιουλίου 2012 έλαβαν χώρα μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM 1 με τη βοήθεια ενός άλλου οργάνου μέτρησης (AQM 60 της εταιρίας Aeroqual), στην περιοχή της Πυλαίας. Για το σκοπό αυτό το όργανο τοποθετήθηκε στη στέγη του δημαρχείου της Πυλαίας με ύψος περίπου στα 15 μέτρα από το επίπεδο του δρόμου. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από κτίρια όχι πολύ υψηλά, με μέσο ύψος μικρότερο από 15 μέτρα, και από αυξημένο κυκλοφοριακό φόρτο. Η περιοχή τοποθέτησης είναι ουσιαστικά το κέντρο της Πυλαίας και βρίσκεται πολύ κοντά στην περιφερειακή οδό. Η καταγραφή των μετρήσεων αυτών ξεκίνησε στις 3 Μαΐου 2012 και σταμάτησε στις 28 Ιουλίου 2012 λόγω βλάβης του οργάνου Μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 Οι μετρήσεις αυτές και η καταγραφή τους πραγματοποιήθηκαν και πάλι από το φορητό όργανο Dusttrak 8520 της εταιρίας TSI και διήρκησαν πεντέμισι μήνες (14/12/2012 έως 31/5/2013). Για το σκοπό αυτό το όργανο τοποθετήθηκε στην περιοχή της Πυλαίας, στην ίδια τοποθεσία που περιγράφηκε προηγουμένως. Διαθέσιμες είναι επίσης οι μετρήσεις αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 από την ίδια περίοδο Μαΐου-Ιουλίου 2012 (3/5/2012 έως 28/7/2012), από την περιοχή της Πυλαίας, οι οποίες καταγράφηκαν ταυτόχρονα με τις μετρήσεις PM 1 από το ίδιο όργανο (AQM 60). 30

39 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Στις εικόνες 3.4 και 3.5 φαίνεται το σημείο τοποθέτησης του οργάνου στο δημαρχείο της Πυλαίας. Εικόνα 3.4: Γεωγραφική θέση του δημαρχείου Πυλαίας. Εικόνα 3.5: Τοποθέτηση του οργάνου στη στέγη του δημαρχείου Πυλαίας. 31

40 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 3.2 Υποδομή μετρήσεων Το μοντέλο DUSTTRAK 8520 για τα αερολύματα χρησιμοποιεί την τεχνολογία «διασποράς» του φωτός για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης της μάζας σε πραγματικό χρόνο. Το δείγμα του αερολύματος εισέρχεται προς το εσωτερικό αισθητήρα σε μια συνεχή ροή. Ένα τμήμα του ρεύματος του αερολύματος φωτίζεται με ακτίνα λέιζερ. Τα σωματίδια του ρεύματος του αερολύματος διαχέουν το φως προς όλες τις κατευθύνσεις. Ένας φακός κάθετος στο ρεύμα του αερολύματος και στην δέσμη λέιζερ συλλέγει το διαχεόμενο φως και το εστιάζει πάνω στον ανιχνευτή φωτός. Το κύκλωμα του ανιχνευτή μετατρέπει το φως σε μια τάση. Αυτή η τάση είναι ανάλογη με την ποσότητα του διαχεόμενου φωτός και συνεπώς, ανάλογη της συγκέντρωσης της μάζας των αερολυμάτων. Η τάση «διαβάζεται» από τον επεξεργαστή, πολλαπλασιάζεται με σταθερή εσωτερική βαθμονόμηση και αποδίδει την συγκέντρωση κατά μάζα. Η σταθερά της εσωτερικής βαθμονόμησης ορίζεται ως η αναλογία της τάσης προς τη γνωστή συγκέντρωση κατά μάζα της δοκιμής των αερολυμάτων του DUSTTRAK. Ο ελεγκτής της σκέδασης του φωτός από αερολύματα δίνει τη γραμμική σχέση με την συγκέντρωση της μάζας του αερολύματος. Δηλαδή, για ένα σωματίδιο αερολύματος σκεδάζεται ένα προκαθορισμένο ποσό και για δέκα σωματίδια σκεδάζεται 10 φορές περισσότερο φως. Το διαχεόμενο φως εξαρτάται και από το μέγεθος των σωματιδίων. Η εξάρτηση αυτή είναι η πιο σημαντική για τα σωματίδια με διάμετρο λιγότερο από το ένα τρίτο του μήκους κύματος του λέιζερ. Για αυτά τα μικρά σωματίδια, το διαχεόμενο φως μειώνεται σε συνάρτηση με την έκτη δύναμη της διαμέτρου. Η δίοδος του λέιζερ που χρησιμοποιείται από το DUSTTRAK έχει μήκος κύματος 780 nm, η οποία περιορίζει το μικρότερο ανιχνεύσιμο σωματίδιο με διάμετρο περίπου 0,1 μm. Η διάχυση του φωτός εξαρτάται επίσης από τον δείκτη της διάθλασης και τα χαρακτηριστικά απορρόφησης του φωτός των σωματιδίων. Η σκέδαση του φωτός από τα σωματίδια μπορεί να διαμορφωθεί χρησιμοποιώντας ένα πολύπλοκο σύστημα εξισώσεων για την σκέδαση του φωτός. Η εξάρτηση της σκέδασης του φωτός από το μέγεθος των σωματιδίων είναι χαρακτηριστικό όλων των ελεγκτών αερολυμάτων αυτού του τύπου. Εάν είναι αναγκαίες οι ακριβείς μετρήσεις της συγκέντρωσης και αν σε ένα περιβάλλον κυριαρχεί ένας συγκεκριμένος τύπος αερολύματος μπορεί να επανακαθοριστεί η μονάδα για το συγκεκριμένο αερόλυμα. Ο όγκος που μετράται από το όργανο είναι σταθερός και ορίζεται από την τομή του ρεύματος του αερολύματος και της ακτίνας λέιζερ. Η μάζα καθορίζεται από την ένταση του φωτός που διαχέεται από τα σωματίδια μέσω του ελέγχου του όγκου. Δεδομένου ότι ο όγκος είναι γνωστός, τα δεδομένα μπορούν εύκολα να μετατραπούν από το μικροεπεξεργαστή του οργάνου σε μονάδες μάζας ανά μονάδα όγκου (mg/m 3 ). Τα οπτικά μέσα στο όργανο διατηρούνται καθαρά γιατί το ρεύμα του αέρα περιβάλλεται από φίλτρα. Αυτό περιορίζει τον αέρα μέσα στην συσκευή σε ένα στενό ρεύμα και εμποδίζει τα 32

41 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ σωματίδια να κυκλοφορούν γύρω από τα οπτικά μέσα. Τα οπτικά μέσα διατηρούνται καθαρά στοιχείο που επιτρέπει στη συσκευή να αντιδρά πιο γρήγορα στις αιφνίδιες αλλαγές της συγκέντρωσης (Καζαντζή, 2010). Για την επίτευξη μέγιστης ακρίβειας, το όργανο ρυθμίστηκε έτσι, ώστε να λαμβάνει τιμές κάθε πέντε δευτερόλεπτα και να καταγράφει το μέσο όρο του πεντάλεπτου. Κατά το χρονικό διάστημα των μετρήσεων, το όργανο σταμάτησε την καταγραφή μόνο για να γίνουν οι απαιτούμενες συντηρήσεις και καθαρισμοί σύμφωνα με το εγχειρίδιο χρήσης του κατασκευαστή. Ταυτόχρονα διατηρήθηκε η καθαριότητα του περιβάλλοντος χώρου του οργάνου για την αποφυγή δημιουργίας σύννεφου σκόνης σε μία απότομη αλλαγή ταχύτητας - διεύθυνσης ανέμου. Το δεύτερο όργανο που χρησιμοποιήθηκε είναι το AQM 60 Environmental Monitor της εταιρίας Aeroqual Νέας Ζηλανδίας - AQM 60. Το AQM 60 είναι ένα ειδικά προσαρμοσμένο σύστημα μέτρησης της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα. Διαθέτει μέχρι και έξι ενότητες αισθητήρων αέριων ρύπων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία τέθηκαν σε λειτουργία αισθητήρες καταγραφής των αέριων ρύπων του όζοντος (O 3 ), του μονοξειδίου του άνθρακα (CO), του διοξειδίου του αζώτου (NO 2 ), των οξειδίων του αζώτου (NOx), των αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 και PM 10. Επίσης, διαθέτει αισθητήρες καιρού για την καταγραφή της εξωτερικής θερμοκρασίας (TEMP) και της σχετικής υγρασίας (RH) καθώς και αισθητήρα για την μέτρηση της εσωτερικής θερμοκρασίας (ITEMP). Η διαμόρφωση του εσωτερικού του σταθμού καταγραφής καθορίζεται από τις ενότητες αισθητήρων και τις επιλογές επικοινωνίας που έχει σε λειτουργία. Αυτή η βέλτιστη σχεδίαση επιτρέπει την εύκολη συντήρηση του οργάνου δεδομένου ότι οι μεμονωμένες μονάδες (αισθητήρες) μπορούν να αντικατασταθούν γρήγορα ελαχιστοποιώντας τον χρόνο διακοπής της λειτουργίας του σταθμού. Το AQM αποτελείται από ένα περίβλημα που περιέχει συνήθως μια μονάδα ελέγχου, μία μονάδα ισχύος, ένα σύστημα θερμικής διαχείρισης, μία μονάδα επεξεργασίας αερίου, ένα αριθμό μονάδων αισθητήρων αερίου, έναν αισθητήρα για τη σχετική υγρασία και τη θερμοκρασία (RH/Τ) και την απαραίτητη ηλεκτρική και υδραυλική καλωδίωση. Η τοποθέτηση των μεμονωμένων μονάδων αισθητήρων ποικίλει ανάλογα με το μέγεθος και τη διάταξη περιβλήματος. Στην εικόνα 3.6 φαίνεται το εσωτερικό του μετρητικού σταθμού με επεξήγηση των διάφορων επιμέρους ενοτήτων. Ο μετρητικός σταθμός Aeroqual AQM 60 χρησιμοποιεί την τεχνολογία σκέδασης του φωτός για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης της μάζας σε πραγματικό χρόνο. Ένα δείγμα αέρα εισέρχεται σε θάλαμο ανίχνευσης σε συνεχή ροή. Ένα τμήμα του εισερχόμενου αέρα δέχεται μια μικρή δέσμη φωτός από ένα λέιζερ. Τα σωματίδια που βρίσκονται μέσα σε αυτό το τμήμα αέρα, σκεδάζουν το φως προς όλες τις κατευθύνσεις. Ένας φακός, ο οποίος είναι τοποθετημένος σε γωνία 90 ο από τη δέσμη φωτός και τη ροή του αέρα, συλλέγει το σκεδασμένο φως και το συγκεντρώνει σε ένα φωτο-ανιχνευτή. Η διάταξη ανίχνευσης 33

42 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ μετατρέπει το φως σε τάση. Η τάση είναι ανάλογη της ποσότητας του φωτός που σκεδάζεται, η οποία με τη σειρά της είναι ανάλογη της συγκέντρωσης της μάζας. Ένας επεξεργαστής καταγράφει την τάση, την πολλαπλασιάζει με μία εσωτερική σταθερά βαθμονόμησης και αποδίδει τη συγκέντρωση μάζας. Η εσωτερική σταθερά βαθμονόμησης προσδιορίζεται από το λόγο της απόκρισης της τάσης προς την γνωστή συγκέντρωση μάζας για μια συγκεκριμένη δοκιμή. Οι αισθητήρες Gas Sensitive Semiconductor (GSS) που χρησιμοποιεί το ΑQM 60 είναι αποκλειστική τεχνολογία της εταιρείας Aeroqual. Είναι ο συνδυασμός των τεχνικών μέτρησης με ανάμεικτα μεταλλικά οξείδια των αισθητήρων ευαισθησίας, τα οποία εμφανίζουν μία ηλεκτρική μεταβολή της αντίστασης υπό την παρουσία ενός συγκεκριμένου αερίου. Οι αισθητήρες αυτοί παρουσιάζουνε γρήγορη απόκριση, μεγάλη διάρκεια ζωής και μεγάλο εύρος λειτουργίας θερμοκρασιών και ευαισθησίας. Επίσης, η ευαισθησία των συγκεκριμένων αισθητήρων παρουσιάζουνε μεγάλη ακρίβεια σε λειτουργία και σε συνθήκες υγρασίας (Aeroqual AQM 60, Μanual). Εικόνα 3.6: Εσωτερικές συνδέσεις (Aeroqual AQM 60, Μanual). 34