ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. «Σχηματισμός πυρήνων και ανάπτυξη μεγέθους σωματιδίων κατά την αραίωση των καυσαερίων στο δρόμο»

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Σχηματισμός πυρήνων και ανάπτυξη μεγέθους σωματιδίων κατά την αραίωση των καυσαερίων στο δρόμο» ΤΟΛΙΑΚΗΣ ΘΑΛΗΣ Α.Ε.Μ. 4479 Υπεύθυνος καθηγητής: Σαμαράς Ζήσης Αρμόδιος παρακολούθησης: Βουίτσης Ηλίας ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, Μάρτιος 2014

1. 2. 3. 4. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Σαμαράς Ζήσης 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Βουίτσης Ηλίας 7. Τίτλος εργασίας: ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΠΥΡΗΝΩΝ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΡΑΙΩΣΗ ΤΩΝ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΡΟΜΟ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: ΤΟΛΙΑΚΗΣ ΘΑΛΗΣ 9. Αριθμός μητρώου: 4479 10. Θεματική 11. Ημερομηνία 12. Ημερομηνία παράδοσης: 13. Αριθμός περιοχή: έναρξης: 03/2014 εργασίας: Εκπομπές ρύπων 01/2012 14. Περίληψη: Ο παρούσα εργασία σκοπεύει σε μια στοιχειώδη ανάλυση της εξέλιξης των σωματιδίων που βρίσκονται στο μείγμα της εξάτμισης ενός οχήματος, κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα της αραίωσής του στο δρόμο. Στην ανάλυσή μας θα συμπεριλάβουμε ένα απλοποιημένο σχήμα αραίωσης (απομονωμένος σωλήνας εξάτμισης) αγνοώντας τους ρευστομηχανικούς μηχανισμούς (ροές, τύρβες) που λαμβάνουν χώρα κατά την αραίωση, σε συνδυασμό με ένα μοντέλο αεροκολλοειδούς που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένο Θερμοδυναμικής στο (ΕΕΘ/LAT) από τους Vouitsis et al, 2008. Θα επιχειρήσουμε να εφαρμόσουμε το μοντέλο σε διάφορες συνθήκες οδήγησης (πόλη, αυτοκινητόδρομος), είδη οχήματος (επιβατικό με βενζινοκινητήρα, diesel επιβατικό, diesel βαρέως τύπου) και περιβάλλοντος (θερμοκρασία, υγρασία, πόλη/αυτοκινητόδρομος) που παραμετροποιούν τα δεδομένα του προβλήματος ανά περίπτωση. Επίσης για κάθε περίπτωση από τις παραπάνω θα θεωρηθούν διαφορετικά αντιρρυπαντικά πρότυπα (euro 1 έως 5) που με τη σειρά τους διαφοροποιούν τη συμπεριφορά του μοντέλου. 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 93 Αρ. Εικόνων: 18 Αρ. Διαγραμμάτων: 14 Αρ. Πινάκων: 13 Αρ. Παραρτημάτων: 2 Αρ. Παραπομπών: 19 16. Λέξεις κλειδιά: σχηματισμός πυρήνων αραίωση καυσαερίου πυρηνογένεση 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός:

Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την.. (Υπογραφή) (Υπογραφή) (Υπογραφή).......... Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2014

Πίνακας περιεχομένων 1 Εισαγωγή... 1 1.1 Σκοπός- δομή εργασίας... 4 1.2 Βασική ροή και χαρακτηριστικά ανάμιξης των καυσαερίων σε διάφορες περιοχές αραίωσης 5 1.2.1 Στην ουρά του των καυσαερίων του οχήματος... 5 1.2.2 Στο επίπεδο του δρόμου... 7 1.2.3 Στο επίπεδο της γειτονιάς... 9 1.2.4 Στο επίπεδο της πόλης... 9 1.2.5 Μέσα σε ένα τούνελ... 11 1.3 Οι μετασχηματισμοί που λαμβάνουν χώρα μετά τη διάχυση των καυσαερίων... 12 1.4 Περιοχές κατανομής... 14 1.5 Διεργασίες κατά τη διάχυση των εκπμπών στην αστική ατμόσφαιρα... 17 1.6 Διαδικασίες μετασχηματισμού μετά την έξοδο των καυσαερίων, στις διάφορες κλίμακες μέτρησης... 22 1.6.1 Μετά την έξοδο από το σωλήνα της εξάτμισης... 22 1.6.2 Στο δρόμο... 25 1.6.3 Στην κλίμακα της γειτονιάς και της πόλης... 27 1.6.4 Σε ένα τούνελ... 27 1.7 Αντικείμενο διπβλωματικής... 29 1.7.1 Γενικές σκέψεις... 29 1.7.2 Στάδια ανάλυσης... 33 2 Θεωρητικό υπόβαθρο... 37 2.1 Αραίωση του καυσαερίου... 37 2.2 Πυρηνογένεση... 39 2.3 Συμπύκνωση-Εξάτμιση... 41 2.3.1 Θειικό οξύ... 42 2.3.2 Οργανική ύλη - υδρογονάνθρακες... 43 2.4 Συσσωμάτωση - Διεργασίες τοιχωμάτων... 44 2.5 Χημικές ουσίες... 46 2.5.1 Ενώσεις θείου... 46 2.5.2 Οργανικές ενώσεις... 47 ii

3 Διαμόρφωση του προβλήματος... 49 3.1 Μαθηματική διατύπωση του προβλήματος... 50 3.2 Διαμόρφωση αρχικών τιμών Νi,j... 60 3.2.1 Υπολογισμός αρχικών τιμών περιοχής συσσώρευσης... 62 3.3 Τρόπος επίλυσης... 65 3.3.1 Παράδειγμα τύπωσης του προγράμματος... 65 4 Αποτελέσματα - Συμπεράσματα... 69 5 Επίλογος... 79 5.1 Σύνοψη... 79 5.2 Μελλοντικές επεκτάσεις... 80 6 Βιβλιογραφία... 81 Κατάλογος συμβολισμών... 83 Παράρτημα Α (υπολογισμοί καύσης)... 87 Παράρτημα Β (ιδιότητες ουσιών)... 91 iii

1 Εισαγωγή Η εκπομπή νανοσωματιδίων από τα οχήματα και οι αρνητικές επιπτώσεις που έχουν στην ανθρώπινη υγεία και στο περιβάλλον πίεσαν τις τελευταίες δεκαετίες τις επιστήμες της αέριας ρύπανσης και της αστικής διαχείρισης να επικεντρώσουν τις έρευνές τους γύρω από τον τομέα αυτό. Ενώ πηγές ρύπανσης όπως οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα αεροδρόμια, τα εργοτάξια κατεδάφισης, η φθορά των ελαστικών και της ασφάλτινης επιφάνειας των δρόμων, τα παράγωγα των βιοκαυσίμων, ο φυσικός σχηματισμός και άλλες πήγες όπως τα κατασκευαζόμενα νανοϋλικά είναι σημαντικοί συντελεστές της αριθμητικής συγκέντρωσης των ατμοσφαιρικών σωματιδίων, οι εκπομπές από οχήματα που καταναλώνουν βενζίνη και ντίζελ παραμένουν η κύρια πηγή ρύπανσης στα αστικά περιβάλλοντα. Και αυτό, αφού από μόνες τους οι συγκεκριμένες εκπομπές συνεισφέρουν κατά περίπου 90% στο συνολικό αριθμό σωματιδίων. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι το 99% των σωματιδίων που εντοπίζονται σε ένα μέσο αστικό περιβάλλον έχει μέγεθος μικρότερο των 300nm και φτάνουν μέχρι και τα 1.5-2nm όπου εντοπίζονται τα νανοσωματίδια περιοχής πυρήνων. Τα ατμοσφαιρικά νανοσωματίδια πρέπει να περιορίζονται και να ελέγχονται για πολλούς λόγους: Οι νωπές εκπομπές καυσαερίων (αμέσως μετά την έξοδο από την εξάτμιση) έχουν τοξικές ιδιότητες, τα υπέρλεπτα σωματίδια (<100nm) έχουν τη δυνατότητα να διεισδύουν στα επιθηλιακά κύτταρα και να συσσωρεύονται στους λεμφαδένες. Τα νανοσωματίδια θεωρούνται επίσης ύποπτα για την πρόκληση άσθματος στα παιδιά καθώς και για οξειδωτική δράση που μπορεί να προκαλέσει αλλοίωση του DNA και κατ επέκταση αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης καρκίνου. Και 1

αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα από τις πάμπολλες επιπτώσεις που μπορούν να έχει για τη δημόσια υγεία η έκθεση σε νανοσωματίδια. Αν και οι περισσότερες επιδημιολογικές μελέτες έχουν επικεντρωθεί στα σωματίδια τάξης μεγέθους PM 10 (διαμέτρου d<10μm) και PM 2.5 (d<2,5μm), υπάρχουν ενδείξεις ότι ακόμα και μικρή σε διάρκεια έκθεση σε υψηλές συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων μπορεί να επιδεινώσει υπάρχουσες πνευμονικές και καρδιακές νόσους ή να προκαλέσει έμφραγμα του μυοκαρδίου, ενώ μία μεγάλη σε διάρκεια έκθεση μπορεί να αυξήσει επικίνδυνα την πιθανότητα ανάπτυξης καρδιακής νόσου που μπορεί να φτάσει ακόμα και το θάνατο. Για παράδειγμα, η ομάδα του Kumar έκανε εκτίμηση των εκπομπών νανοσωματιδίων από τα οχήματα και τις συσχέτισαν με τους θανάτους που σχετίζονται με αυτές στην πόλη του Δελχί. Διατύπωσαν ότι η έκθεση σε περιβάλλον με αυξημένη συγκέντρωση νανοσωματιδίων μπορεί να προκαλέσει υπέρβαση του αναμενόμενου αριθμού θανάτων (~ 508 και ~1888 θάνατοι ανά εκατομμύριο κατοίκων για το 2010 και το 2030 αντίστοιχα). Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων και η δυναμικά εξελισσόμενη φύση τους διαδραματίζουν επίσης ένα σημαντικό ρόλο στη μεταβολή των οπτικών ιδιοτήτων των πιο μεγάλων σε μέγεθος σωματιδίων μέσα από τις διαδικασίες της συσσωμάτωσης και της συμπύκνωσης που μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της ορατότητας στο αστικό πεδίο αλλά και να συμβάλουν στο φαινόμενο της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής. Ένα αστικό περιβάλλον αποτελείται από δρόμους-κανάλια (ρυμοτόμηση) όπου οι συγκεντρώσεις ρύπων μπορεί να είναι αρκετές φορές μεγαλύτερες σε σχέση μια αραιοκατοικημένη περιοχή. Η συγκέντρωση αυτή εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της κυκλοφορίας των οχημάτων, τη γεωμετρία του εκάστοτε δρόμου-καναλιού, ενώ επηρεάζεται άμεσα από τους παρακείμενους δρόμους και τις αναταράξεις που προκαλούνται από τους ανέμους, την κίνηση των οχημάτων και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο σε αρκετές περιπτώσεις είναι σχεδόν αδύνατες εξαιτίας πρακτικών και τεχνικών περιορισμών. Ωστόσο, μια καλύτερη κατανόηση των μοντέλων διασποράς είναι απαραίτητη αν θέλουμε να σχεδιάσουμε με αποτελεσματικότητα μοντέλα μετριασμού των εκπομπών ρύπων. Όπως φαίνεται και στην Εικ.1-1, οι εκπομπές της κυκλοφορίας των οχημάτων στις αστικές περιοχές συμβαίνει εντός ενός στρώματος αστικού θόλου όπου η ατμοσφαιρική ροή είναι άμεσα επηρεασμένη από τα κτίρια και άλλα εμπόδια. Αυτό οδηγεί σε ποικίλα χαρακτηριστικά της ροής και της διασποράς των ρύπων ανάλογα 2

με την πολεοδομική σύνθεση που με τη σειρά τους επηρεάζουν την αραίωση των εν λόγω εκπομπών. Η αραίωση θεωρείται ίσως η πιο σημαντική διαδικασία στα μοντέλα διασποράς ενώ δευτερεύουσες διαδικασίες μετασχηματισμού είναι αυτές της πυρηνογένεσης, της συσσωμάτωσης, της συμπύκνωσης, της εξάτμισης και της απόθεσης. Η εμφάνιση αυτών των διεργασιών μετά την απελευθέρωση των καυσαερίων από το σωλήνα της εξάτμισης των οχημάτων στην ατμόσφαιρα αλλάζει συνεχώς τον αριθμό και την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Αυτό άλλωστε είναι που κάνει τα μοντέλα διασποράς των καυσαερίων ρύπων να διαφέρουν σημαντικά από τα αντίστοιχα των υπολοίπων ατμοσφαιρικών. Εικόνα 1-1. Σχηματική αναπαράσταση της ροής μέσα στον και πάνω από μία αστική περιοχή (Grimmond & Oke, 1999). Επίσης παρουσιάζονται τα διάφορα στρώματα και αντιστοίχως οι κατανομές των προφίλ της μέσης ταχύτητας (Bottema, 1997). 3

1.1 Σκοπός- δομή εργασίας Όπως έχει ήδη αναφερθεί, στη εργασία αυτή, θα μελετηθεί η επίδραση της αραίωσης των καυσαερίων αμέσως πίσω από το σωλήνα της εξάτμισης. Θα χρησιμοποιήσουμε και θα επεκτείνουμε ένα υπάρχον υπολογιστικό μοντέλο αεροζόλ του ΕΕΘ. Θα ενσωματώσουμε διάφορες συνθήκες μελέτης όπως περιβαλλοντικές (θερμοκρασία, σχετική υγρασία), τύπος οχήματος, συνθήκες οδήγησης, τεχνολογία euro κινητήρα και θα προσπαθήσουμε να διερευνήσουμε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες αλλάζει η σύσταση του αεροζόλ του καυσαερίου και δημιουργούνται σωματίδια πυρήνα καθώς και την εξέλιξη των σωματιδίων περιοχής συσσώρευσης. Στις επόμενες παραγράφους του Κεφαλαίου 1 θα αναφερθούμε σε μια γενικότερη συζήτηση που αφορά τις διεργασίες που ακολουθούν την αραίωση/ψύξη του καυσαερίου. Στα πλαίσια αυτά δε θα μείνουμε μόνο στην εξέταση της πρωτογενούς αραίωσης πίσω από το σωλήνα της εξάτμισης αλλά θα αναφερθούμε και στα άλλα επίπεδα μελέτης όπως στο ευρύτερο επίπεδο ενός δρόμου, στο επίπεδο της γειτονιάς, σε ένα τούνελ κλπ. Στο τέλος του κεφαλαίου, και αφού έχει προηγηθεί η παραπάνω ανάλυση, θα παρουσιάσουμε διεξοδικότερα το αντικείμενο της διπλωματικής με τις βασικές του παραδοχές. Στο Κεφάλαιο 2 θα αναφερθούμε σε λεπτομέρειες που αφορούν τις επιμέρους διεργασίες που ενσωματώνονται στο μοντέλο. Συγκεκριμένα, στα σχήματα/μηχανισμό αραίωσης που επιλέχτηκε, στις θεωρήσεις που αφορούν τις διεργασίες τις πυρηνογένεσης, της συμπύκνωσης/εξάτμισης, της συσσωμάτωσης και της απόθεσης. Επίσης, θα αναφερθούμε στις παραδοχές που κάναμε και αφορούν τη σύσταση του καυσαερίου σε θειικό οξύ και αλκάνιο. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται εκτενής παρουσίαση των υπολογιστικών-τεχνικών λεπτομερειών του μοντέλου. Παρουσιάζεται η μαθηματική του διατύπωση και ο τρόπος που επιλέχτηκε για τον υπολογισμό των αρχικών συνθηκών που εκκινούν το μοντέλο. Τέλος, παρουσιάζεται η μέθοδος αριθμητικής του επίλυσης. Στο Κεφάλαιο 4 τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και συνοψίζονται υπό τη μορφή συμπερασμάτων. 4

1.2 Βασική ροή και χαρακτηριστικά ανάμιξης των καυσαερίων σε διάφορες περιοχές αραίωση Η ροή του ανέμου και κατά συνέπεια, η ανάμιξη των ρύπων σε αυτή ροή είναι πολύ δύσκολο να περιγραφεί όταν αναφερόμαστε σε χωρικά συστήματα εντός ή πάνω από αστικές περιοχές. Αυτό συμβαίνει γιατί το σύστημα μελέτης αποτελείται από ένα περίπλοκο δίκτυο δρόμων και κτιρίων, με διαφορετικές κατευθύνσεις ανέμου, αρκετά σημεία αλλαγής θερμοκρασιών αλλά και με διάφορες πηγές ρύπανσης όπως αυτή της κυκλοφορίας των οχημάτων. Η ενσωμάτωση λεπτομερών μηχανισμών τύρβης στα μοντέλα ανάμιξης (τύρβη που μπορεί να προέρχεται από το όχημα, το δρόμο και τις συνθήκες της ατμόσφαιρας) βελτίωσε αισθητά την ακρίβεια των προβλέψεων στις μελέτες που αφορούν τα συστήματα ρύπων κοντά στο δρόμο. Διάφοροι μελετητές έχουν προτείνει διάφορες προσεγγίσεις για να περιγραφούν προβλήματα στο επίπεδο μιας πόλης. Μπορεί παραδείγματος χάρη να γίνει η εξής κατανομή για τις διάφορες κλίμακες/περιοχές μέτρησης όπως παρουσιάζονται στις εικόνες παρακάτω: i. Η κλίμακα του δρόμου (για μεγέθη κλίμακας L S μικρότερα από ~100-200 m) ii. Η κλίμακα της γειτονιάς (για κλίμακα L N μέχρι και 1-2km) iii. Η κλίμακα της πόλης (για κλίμακα L C μέχρι και 10-20km) iv. H κλίμακα της περιφέρειας (για κλίμακα L R μέχρι και 100-200km) Τέλος, υπάρχει και η μικρότερη κλίμακα μελέτης αυτή της «ουράς» των καυσαερίων του οχήματος. Στην εν λόγω κλίμακα η ανάμιξη και η αραίωση των ρύπων συμβαίνει πιο γρήγορα από οποιαδήποτε άλλη περίπτωση. Πιο αναλυτικά παρακάτω: 1.2.1 Στην ουρά του των καυσαερίων του οχήματος Στην περίπτωση αυτή μπορούμε να θεωρήσουμε ένα «πακέτο» εκπομπών από μια εξάτμιση το οποίο μπορεί και περιέχει εκ των προτέρων διάφορα σωματίδια αλλά και πρόδρομα αέρια. Τα συστατικά αυτά που αργότερα θα συμπυκνωθούν και θα σχηματίσουν νέα σωματίδια κατά την έξοδό τους από την εξάτμιση αλλά και κατά 5

μήκος της ροής των καυσαερίων. Ο ουρά των καυσαερίων του οχήματος αποτελεί και την πρώτη χωρική κλίμακα όπου τα εκπεμπόμενα νανοσωματίδια θα διαχυθούν στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Οι μετατροπές σωματιδίων που επακολουθούν την έξοδο από την εξάτμιση εξαρτώνται από διάφορα μεγέθη όπως τα χαρακτηριστικά της ροής τους, η τυρβώδης ανάμιξή τους με τον ατμοσφαιρικό αέρα καθώς και οι αρχική τους συγκέντρωση. Η ουρά των καυσαερίων αποτελείται από δύο υπο-περιοχές όπως φαίνεται και στις Εικ. 1-2 και 1-3: i. την περιοχή κοντά στον σωλήνα της εξάτμισης (θεωρείται μήκους περίπου ίσου με 10-15 φορές του ύψους του οχήματος) ii. την περιοχή μακριά από αυτόν Εικόνα 1-2. Ορισμός των περιοχών ροής της ουράς που σχηματίζουν τα καυσαέρια ενός αυτοκινήτου A: κοντά στον απόρρου - αντίστροφη ροή B: κοντά στον απόρρου - διαμήκεις δίνες και C: μακριά από τον απόρρου με γενικευμένες αναταράξεις και μη ευδιάκριτη δομής της ροής (Hucho, 1987). Εικόνα 1-3. Περιοχές ροής πίσω από το αυτοκίνητο (L V ~ 0-20 m) 6

Ο αριθμός και κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων αλλάζει ταχύτατα στην πρώτη περιοχή κάτω από την επίδραση διαφόρων διεργασιών που προκαλούνται από την ταχεία τυρβώδη ανάμιξή τους. Κατά τη διαδικασία της αραίωσης και της ψύξης των καυσαερίων σχηματίζονται νέα σωματίδια μέσω πυρηνογένεσης ενώ έπειτα αναπτύσσονται άμεσα σε μέγεθος από τη συμπύκνωση των ατμών που εμπεριέχουν. Η μεγάλη αυτή συγκέντρωση φρέσκων σωματιδίων περιοχής πυρήνα εκκινεί διεργασίες συσσωμάτωσης που οδηγούν με τη σειρά τους σε περαιτέρω αύξηση του μεγέθους τους. Διάφορες μετρήσεις στο δρόμο επιβεβαιώνουν ότι όλα τα νεοσχηματιζόμενα σωματίδια έχουν ήδη σχηματιστεί στα πρώτα 0,7 s της παραμονής τους στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον κάτι που οδηγεί μάλιστα πολλούς επιστήμονες να χρησιμοποιούν αυτές κατανομές μεγέθους των πρώτων δηλαδή millisecond ψύξης/αραίωσης ως αρχικές κατανομές στα μοντέλα τους. Και αυτό γιατί μετά το στάδιο αυτό, στην περιοχή μακριά από τον απόρρου των καυσαερίων ο ρυθμός της εξέλιξης των σωματιδίων είναι πραγματικά πολύ αργός εξαιτίας του γεγονότος ότι η τυρβώδης ροή που προκαλεί το αυτοκίνητο εξασθενεί όσο απομακρυνόμαστε από αυτό. Κατ επέκταση, η αραίωση του καυσαερίου γίνεται κυρίως μέσω ανάμιξης που κυριαρχείται από ατμοσφαιρικές αναταράξεις. 1.2.2 Στο επίπεδο του δρόμου Το καυσαέριο που εξέπεμψε η εξάτμιση έχει πια εξαπλωθεί στο επίπεδο του δρόμου. Αυτή η εξάπλωση έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διότι συμβαίνει σε περιοχές κυκλοφορίας όπου οι άνθρωποι περνούν καθημερινά κρίσιμο χρόνο και όπου υπάρχουν παράλληλα αρκετοί σταθμοί παρακολούθησης της ποιότητας του αέρα. Η κατεύθυνση της ροής εξαρτάται από πολλού παράγοντες όπως: (i) η γεωμετρία και η αναλογία μεγέθους των κτιρίων (ύψος H, πλάτος W κλπ) που κατατάσσει τους δρόμους σε κανονικά, βαθειά, λεωφόρους, συμμετρικά και μη-συμμετρικά κανάλια, (ii) τα στοιχεία της τραχύτητας του καναλιού (δέντρα, μπαλκόνια, λοξές στέγες κ.α.), (iii) ο προσανατολισμός του δρόμου και (iv) οι συνθήκες του ανέμου εντός του καναλιού. Ανάλογα με την ταχύτητα U r του ανέμου πάνω από την οροφή των κτιρίων (synoptic wind ή free-stream velocity), η ροή μπορεί να είναι (i) ουδέτερη όταν U r 7

<1,5 ms -1, (ii) κατακόρυφη όταν U r >1,5 ms -1 ή ημι-κατακόρυφη όταν η γωνία που σχηματίζει με τον άξονα του δρόμου υπερβαίνει τις 30 ο και (iii) παράλληλη ή σχεδόν παράλληλη όταν U r >1,5 ms -1 και κινείται στις υπόλοιπες κατευθύνσεις. Στην περίπτωση των κανονικών καναλιών δρόμου η αναλογία ύψους-πλάτους του καναλιού είναι περίπου H/W 1, οι τυπικές ταχύτητες ανακυκλοφορίας 0,33-0,50U r και τα επίπεδα τυρβώδους ροής 0,10U r. Η αραίωση των καυσαερίων στο κανάλι εξαρτάται άμεσα από τη ροή του αέρα, την τύρβη που παράγεται από τους ανέμους, την κυκλοφορία των οχημάτων και την ενδεχόμενη αστάθεια των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Το σχήμα και η ισχύς των δινών του ανέμου μπορούν επίσης να επηρεαστούν από τη νηνεμία και τα θερμικά φαινόμενα που εισάγονται από την θέρμανση του από τους τοίχους και τον πάτο (άσφαλτος, πεζοδρόμιο) του καναλιού. Εικόνα 1-4. Κλίμακα του δρόμου (L S ~ 100-200 m). Σχηματική παράσταση του καναλιού που δημιουργείται από το δρόμο, το πεζοδρόμιο και τα κτίρια. Σε αυτήν την κλίμακα μεγέθους οι κύριοι μηχανισμοί διάχυσης του καυσαερίου θεωρούνται κυρίως οι δίνες που προέρχονται από τον άνεμο και την κίνηση των οχημάτων. Κατά τη διάρκεια ήρεμων ανέμων (U r <1,5 ms -1 ), η ανάμιξη των καυσαερίων κυρίως προέρχεται από την επίδραση των δινών που παράγουν τα οχήματα ενώ για μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου οι παραπάνω δίνες εξασθενούν σε σχέση με την επίδραση των δινών του ανέμου. Επιπρόσθετα, η τάξη μεγέθους των διεργασιών μίξης αυξάνεται ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου αλλά και με την τραχύτητα του καναλιού ενώ η ηλιακή ακτινοβολία που θερμαίνει τις κτιριακές υποδομές που περιβάλλουν το κανάλι, μπορεί να προκαλέσει ανοδικά ρεύματα αέρα. Το τελευταίο βέβαια φαινόμενο, όπως υποδεικνύουν οι περισσότερες μελέτες έχει στην ουσία πολύ μικρή επίδραση καθώς η μέση επιφάνεια των περιβαλλόντων αυτών κτιρίων είναι πολύ μικρή για να επηρεάσει τη συνολική ροή. 8

1.2.3 Στο επίπεδο της γειτονιάς Μετά το δρόμο, τα καυσαέρια μπορεί να θεωρηθούν ότι εισάγονται στο επίπεδο της γειτονιάς μέσα από ένα δίκτυο δρόμων, πάνω και γύρω από διάφορα κτίρια όπως φαίνεται και στην Εικ. 1-5. Η ροή εδώ είναι πολύ πιο περίπλοκη απ ότι στο επίπεδο του δρόμου. Αυτό οφείλεται στην αλληλεπίδραση της ροής γύρω από τα κτίρια και τους δρόμους. Στην περίπτωση αυτή, υπάρχουν δύο κύρια χαρακτηριστικά: (i) η ροή θεωρείται ότι κινείται εντός μιας στατικής-ομογενούς επιφάνειας και άρα αποκαθίσταται μια κάποια σχετική ισορροπία και (ii) η ροή θεωρείται ότι έχει αναπτυχθεί ως αποτέλεσμα των αλλαγών που υπέστη στο σύνολο των περιοχώνδρόμων που έχει διανύσει. Εκτός βέβαια από τους παραπάνω παράγοντες πρέπει να επισημανθεί ότι η ροή στην κλίμακα της γειτονιάς επηρεάζεται και από τις αναταράξεις που δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση κτιρίων-δρόμων. Εικόνα 1-5. Κλίμακα της γειτονιάς (L Ν ~ 1-2 km) 1.2.4 Στο επίπεδο της πόλης Στη συνέχεια τα καυσαέρια εισέρχονται στο επίπεδο της πόλης (Εικ. 1-6). Η πόλη θεωρούμε πως δημιουργείται από την συνένωση των επιπέδων γειτονιάς και μπορούμε εύκολα να διακρίνουμε τα όριά της. Τα κύρια δομικά της χαρακτηριστικά είναι: μεγάλα κτίρια και κατασκευές, πηγές εισαγωγής θερμότητας στο σύστημα 9

όπως ένα εργοστάσιο, υγρασία που προέρχεται από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες, μεγάλη θερμοχωρητικότητα του τσιμέντου και των λοιπών υλικών των κτιρίων, καθώς και μεγάλοι ανοιχτοί χώροι όπως ένα πάρκο. Στο επίπεδο μιας πόλης μπορούμε να έχουμε διάφορες αποκλίσεις σε σχέση με το είδος των κτιρίων και τους ελεύθερους-ανοιχτούς χώρους και αυτό επηρεάζει κυρίως το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα που δημιουργείται πάνω από ένα μέσο κτιριακό ύψος H. Εικόνα 1-6. Κλίμακα της πόλης (L C ~ 10-20 km) Για περιγράψουμε το στρώμα αυτό πρέπει καταρχάς να πούμε ότι είναι πάντα τυρβώδες και έχει ένα λογαριθμικό προφίλ ταχυτήτων αέρα ενώ χαρακτηρίζεται από πολύπλοκες ροές στο εσωτερικό του και έντονες διεργασίες τυρβώδους ανάμειξης. Μπορεί να χωριστεί σε τρία κύρια υποστρώματα: (i) Το υπόστρωμα του αστικού θόλου, όπου η ροή επηρεάζεται άμεσα από τα κτιριακές υποδομές (ii) Το τραχύ υπόστρωμα, όπου η ροή επηρεάζεται ακόμα από τα κτίρια και (iii) Το αδρανειακό υπόστρωμα, όπου το οριακό στρώμα έχοντας πλήρως αλληλεπιδράσει με τα εμπόδια του θολωτού παύει να επηρεάζεται από αυτό. Το τραχύ υπόστρωμα μπορεί να εκτείνεται μέχρι και σε ύψος 2H από την επιφάνεια του εδάφους ενώ είναι γενικώς αποδεκτό ότι η στήλη των ρυπογόνων εκπομπών φτάνει και αυτή σε ανάλογο ύψος. Συνεπώς, έχοντας ήδη υπολογίσει τη διάχυση των καυσαερίων εντός του θολωτού της πόλης, μπορούμε να ανάγουμε εύκολα τις εκπομπές αυτές στο επίπεδο πάνω από αυτό χρησιμοποιώντας ένα απλό μοντέλο ρευστομηχανικής. 10

1.2.5 Μέσα σε ένα τούνελ Η ροή και οι διαδικασίες ανάμειξης των ρύπων εντός ενός τούνελ είναι τελείως διαφορετικές σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη κλίμακα σύγκρισης και ως εκ τούτου μπορεί να επηρεάσει το σχηματισμό νανοσωματιδίων ποικιλοτρόπως. Σε αντίθεση με τα άλλα επίπεδα μέτρησης, ένα τούνελ περιλαμβάνει απορροφητήρες αέρα τοποθετημένους κάθετα και οριζόντια σε αυτό. Κάποιοι απορροφητήρες είναι τοποθετημένοι έτσι ώστε να εισάγουν καθαρό αέρα στο τούνελ από το εξωτερικό περιβάλλον, ενώ κάποιοι άλλοι τοποθετούνται ώστε να εξάγουν τον ακάθαρτο αέρα από αυτό. Η κύρια ροή μέσα στο τούνελ επάγεται κυρίως από την κίνηση των οχημάτων αφού η επίδραση των ατμοσφαιρικών αναταράξεων και των μετεωρολογικών συνθηκών πάνω στη ροή και την ανάμειξη των καυσαερίων είναι ασήμαντη σε σχέση με την τύρβη που παράγει η κυκλοφορία των οχημάτων κατά τις συνήθεις συνθήκες. Επίσης, η ροή μπορεί να θεωρηθεί γενικά τυρβώδης με έντονα φαινόμενα ανάμειξης αφού όχι μόνο έχουμε κίνηση σε κλειστό χώρο αλλά και ανοδικά ρεύματα αέρα λόγω της παρουσίας των απορροφητήρων. Εικόνα 1-7. Ροή σε τούνελ (L T ~ 50-5000 m) 11

1.3 Οι μετασχηματισμοί που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάχυση των καυσαερίων Σε όλα τα καυσαέρια εντοπίζεται σωματιδιακή ύλη (ΣΥ) που συνήθως αναφέρεται ως αιθάλη (soot). Στις μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) και ειδικά στους κινητήρες Diesel οι εκπομπές αυτές είναι ιδιαίτερα αυξημένες λόγω του τρόπου που διαδίδεται η καύση εντός του κυλίνδρου (φλόγα διάχυσης). Η αναπτυσσόμενη στις μηχανές επιβαλλόμενης ανάφλεξης (φλόγα προανάμειξης) επιτρέπει τη σχεδόν ταυτόχρονη οξείδωση των δημιουργηθέντων σωματιδίων προς οξείδια του άνθρακα, με αποτέλεσμα πολύ μικρότερη τιμή αιθάλης στην έξοδο του θαλάμου καύσης. Συνοπτικά το αποδεκτό σχήμα έχει ως εξής: Αρχικά μετατροπή αλειφατικών υδρογονανθράκων σε πολυκυκλικούς αρωματικούς μοριακούς προδρόμους μέσω διεργασιών αφαίρεσης υδρογόνου προσθήκης άνθρακα (HACA - Hydrogen- Αbstraction-Carbon-Addition). Στη συνέχεια πυρηνογένεση μοριακών προδρόμων σε πρωτογενείς πυρήνες, αύξηση του μεγέθους τους μέσω επιφανειακών αντιδράσεων συμπύκνωσης από την αέρια φάση και παράλληλη οξείδωση και τέλος διεργασίες συσσωμάτωσης (coagulation, agglomeration, aggregation) που οδηγούν στα ανθρακικά συσσωματώματα. Επίσης, σε ΣΥ συμπυκνώνονται και μεταλλικά οξείδια που δημιουργούνται από την οξείδωση των μετάλλων, που περιέχονται κυρίως στο λιπαντικό. Έτσι, μπορεί να υποτεθεί ότι η ΣΥ στο ακροφύσιο του αγωγού εξαγωγής, απαντά σε στερεά μορφή ως συσσωμάτωμα ανθρακικού υλικού και ανόργανης στάχτης, αν και μερική συμπύκνωση άκαυστων μορίων του καυσίμου δεν μπορεί να αποκλειστεί (βλ. Εικ. 1-8). Εικόνα 1-8. Συσσωμάτωμα ανθρακικής ύλης και στάχτης στο αγωγό εξαγωγής πριν την εκτόνωση στην ατμόσφαιρα (ACEA, 2000) 12

Τα τελευταία χρόνια η έρευνα προσανατολίζεται στην εκτίμηση της διάστασης fractal προσπαθώντας να δώσει ένα μέτρο της μορφολογίας της ΣΥ και να τη συσχετίσει με χαρακτηριστικά της μηχανής και του φορτίου λειτουργίας. Με βάση αυτά που είναι γνωστά σήμερα, από την περιορισμένη ακόμα έρευνα στο θέμα, γίνεται λόγος για πιο συμπαγείς δομές στα χαμηλά φορτία λειτουργίας και χαλαρότερες δομές στα υψηλότερα φορτία. Με όρους συγκεκριμένου τύπου διεργασίας συσσωμάτωσης, πρόκειται για aggregation (συμπαγείς δομές) και agglomeration (χαλαρές δομές). Κατά την αραίωση του καυσαερίου συμβαίνουν, κατά κύριο λόγο, φυσικές διεργασίες που μεταβάλλουν τη διασπειρόμενη ΣΥ τόσο στο μέγεθος (συμπύκνωση, προσρόφηση) όσο και στην αριθμητική συγκέντρωση (πυρηνογένεση). Στην Εικ.1-9 δίνεται μια απλή αλλά διαφωτιστική αναπαράσταση της ΣΥ μετά από αραίωση (Kittelson, 1998α) ενώ στην Εικ.1-10 η τυπική σύσταση σωματιδίου για μηχανή diesel βαρέως τύπου (Kittelson, 1997). Εικόνα 1-9. Σχηματική αναπαράσταση σωματιδίων και τυπική χημική σύσταση ΣΥ Diesel. Η ακριβής χημική σύσταση εξαρτάται από τη μηχανή, το καύσιμο και τις συνθήκες δειγματοληψίας (Kittelson, 1998α). Εικόνα 1-10. Τυπική σύσταση σωματιδίου για μηχανή diesel βαρέως τύπου (Kittelson, 1997) 13

1.4 Περιοχές κατανομής Οι εκπομπές καυσαερίων που προέρχονται από τις κυκλοφορία των οχημάτων περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα σωματιδίων σε διάφορα μεγέθη και αριθμητικές κατανομές. Αφορούν γενικά, τρεις διακριτές περιοχές σωματιδίων όπως φαίνονται και στην Εικ.1-11: 1) τα σωματίδια περιοχής πυρήνων (nucleation mode particles), με διάμετρο D p <10nm 2) τα σωματίδια περιοχής Aitken (10 nm <D p <50 nm) 3) τα σωματίδια περιοχής συσσώρευσης (accumulation mode particles, με 50nm< D p <2 μm) και 4) άλλα μεγαλύτερα σε μέγεθος (coarse particles, με D p >2 μm) Εικόνα 1-11. Κατανομή αριθμού και μάζας σωματιδίων στην ατμόσφαιρα (Kittelson, 1998a) Στην ίδια εικόνα αναγράφονται οι βασικότερες διεργασίες αέριο προς σωματίδιο (ομογενής πυρηνογένεση και ετερογενής συμπύκνωση) και σωματίδιο προς σωματίδιο (συσσωμάτωση), οι οποίες καθορίζουν την κατάσταση του συστήματος. Οι διεργασίες αυτές θα συζητηθούν αναλυτικότερα στις επόμενες παραγράφους. 14

Στην Εικ.1-11. η περιοχή πυρήνων και η περιοχή Aitken εμφανίζονται ως μία περιοχή, αλλά πρέπει να γίνει σαφές ότι διαφοροποιούνται στο ότι η μεν περιοχή πυρήνων αποτελείται από ΣΥ που είναι αποτέλεσμα πρόσφατου γεγονότος πυρηνογένεσης, η δε περιοχή Aitken είναι αποτέλεσμα συσσωμάτωσης των πυρήνων ή/και συμπύκνωσης επί αυτών των διάφορων ατμών που περιέχει το καυσαέριο μείγμα. Η περιοχή συσσώρευσης είναι τυπικό αποτέλεσμα συσσωμάτωσης (χωρίς να αποκλείεται η συμπύκνωση) ενώ στην περιοχή των μεγάλων σωματιδίων συμπεριλαμβάνονται τα σωματίδια από φυσικές πηγές και από μηχανικές διεργασίες. Στο ερευνητικό πεδίο του καυσαερίου των Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ), η περιοχή Aitken παραλείπεται και η διάκριση γίνεται μεταξύ: 1) περιοχής πυρήνων (D p <30 nm ή 50 nm) (εμείς θεωρούμε διάμετρο αναφοράς τα 50nm) 2) περιοχής συσσώρευσης (30 nm <D p <100 nm) και 3) περιοχής μεγάλων σωματιδίων Στην Εικ.1-12 δίνεται ένα άλλο παράδειγμα κατανομής σωματιδίων σε αστική ατμόσφαιρα αλλά αυτή τη φορά υπό την επίδραση της κίνησης οχημάτων. Η επίδραση της αυτοκίνησης φαίνεται καθαρά: ο αριθμός της σωματιδιακής ύλης (ΣΥ) δίπλα στον αυτοκινητόδρομο είναι κατά περίπου μια τάξη μεγέθους αυξημένος συγκριτικά με αυτόν της τυπικής μέσης αστικής ατμόσφαιρας. Αυτό μπορεί να φανεί ακόμη πιο ξεκάθαρα στην κατανομή όγκου (μάζας) (βλ. Εικ.1-13): Δίπλα στον αυτοκινητόδρομο ο όγκος της ΣΥ εμφανίζει διακριτή κορυφή στην περιοχή πυρήνων (μικρότερη από τις κορυφές των άλλων περιοχών αλλά εμφανώς διακριτή). 15

Εικόνα 1-12. Κατανομή αριθμού ΣΥ δίπλα στην πηγή (αυτοκινητόδρομος), στη μέση αστική ατμόσφαιρα, σε καθαρή ατμόσφαιρα επηρεαζόμενη από την αστική και σε απολύτως καθαρή ατμόσφαιρα (Seinfeld και Pandis, 1998). Εικόνα 1-13. Κατανομή όγκου ΣΥ δίπλα στην πηγή (αυτοκινητόδρομος) και στη μέση αστική ατμόσφαιρα. (Seinfeld και Pandis, 1998). 16

1.5 Διεργασίες κατά την διάχυση των εκπομπών στην αστική ατμόσφαιρα Κάθε μορφή σωματιδιακής ύλης στα καυσαέρια έχει τα δικά της αυτοτελή χαρακτηριστικά και αλλάζει τόσο χρονικά όσο και χωρικά κάτω από την επίδραση συγκεκριμένων μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάχυση στην ατμόσφαιρα. Η αραίωση αποτελεί τον πρώτο και κύριο μηχανισμό που άρχει και προκαλεί όλες τις άλλες διαδικασίες. Τα θερμά καυσαέρια εξέρχονται της εξάτμισης στον κρύο ατμοσφαιρικό αέρα, αναμιγνύονται με αυτόν και ψύχονται ταχέως. Μαζί με τον όσο το δυνατόν ακριβέστερο προσδιορισμό του μεγέθους των αρχικών εκπομπών από ένα μέσο όχημα, η μοντελοποίηση της αραίωσης παίζει πολύ σημαντικό ρόλο για τη συνολικότερη ακρίβεια του όποιου μοντέλου διάχυσης. Η πυρηνογένεση είναι ένας άλλος μηχανισμός που παίζει σημαντικό ρόλο ιδιαίτερα κατά τα πρώτα στάδια της εξόδου του καυσαερίου από την εξάτμιση στο περιβάλλον. Στην ουσία αυτό που κάνει, είναι να μετατρέπει τα αέρια της εξάτμισης σε σωματίδια αρχικού μεγέθους 1,5-2 nm. Είναι δυνατή ανά πάσα στιγμή που υπάρχει συγκέντρωση ατμού. Μπορεί να είναι είτε ομογενής είτε ετερογενής. Στην πρώτη περίπτωση τα μόρια του ατμού συμπυκνώνονται χωρίς επαφή με ξένο σώμα, ενώ στη δεύτερη συμπυκνώνονται λόγω επαφής ή άμεσης αλληλεπίδρασης με το ξένο σώμα. Το ξένο σώμα μπορεί να είναι οτιδήποτε (στερεό ή υγρό, φορτισμένο ή αφόρτιστο σωματίδιο, οποιαδήποτε ακαθαρσία ή πρόσμειξη, κ.λπ.). Η πυρηνογένεση και συμπύκνωση του θειικού οξέος (SO 2 ) καθώς και άλλων ημι-πτητικών οργανικών ενώσεων της εξάτμισης αποτελούν τους κύριους μηχανισμούς σχηματισμού νέων σωματιδίων υγρού πυρήνα και λαμβάνουν χώρα μόλις κατά τα πρώτα χιλιοστά του δευτερολέπτου της αραίωσης. Αργότερα, και για όσο προχωρά η αραίωση, ο σχηματισμός νέων πυρήνων φθίνει αρκετά, γι αυτό και πολλές φορές στα υπολογιστικά μοντέλα οι πυρήνες αυτοί θεωρούνται τμήμα των αρχικών εκπομπών της εξάτμισης. Έχει παρατηρηθεί ότι το φαινόμενο της πυρηνογένεσης επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (δημιουργία περισσότερων πυρήνων στις χαμηλότερες θερμοκρασίες) καθώς επίσης και από την περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείο (υψηλότερες τιμές για υψηλότερη περιεκτικότητα σε θείο) 17

αφού αυτή ανάγεται σε συγκέντρωση θειικού οξέος στα αέρια της εξάτμισης. Άρα όσο μεγαλύτερη η συγκέντρωση θειικού οξέος στα καυσαέρια τόσο μεγαλύτερη και η συγκέντρωση σωματιδίων περιοχής πυρήνα. Από την άλλη πλευρά βέβαια, ορισμένες μετρήσεις δείχνουν ότι τα καυσαέρια της εξάτμισης περιέχουν και σωματίδια που έχουν μη-πτητικό πυρήνα (όπως οξείδια μετάλλου και πυρολυμένοι υδρογονάνθρακες) που σχηματίζονται πριν την έναρξη της αραίωσης. Αυτά τα σωματίδια αυξάνονται σε μέγεθος μέσω συμπύκνωσης των ημι-πτητικών υλικών, κυρίως υδρογονανθράκων κατά τη διάρκεια της αραίωσης/ψύξης. Η συσσωμάτωση είναι άλλη μια διαδικασία μετασχηματισμού που λαμβάνει χώρα κατά την αραίωση των καυσαερίων. Τα σωματίδια κατά την τυχαία κίνησή τους (κίνηση Brown) συγκρούονται μεταξύ τους και προσκολλώνται, δημιουργώντας συμπαγείς δομές συσσωματωμάτων (agglomerates). Έτσι, κατά τη διαδικασία αυτή τα συγκρουόμενα μικρά σωματίδια αυξάνουν σε μέγεθος αλλά ταυτόχρονα παρουσιάζεται μείωση στην αριθμητική τους συγκέντρωση. Η κίνηση Brown ενισχύεται περεταίρω από δυνάμεις Van der Waals, δυνάμεις ιξώδους καθώς και από τη γεωμετρία (fractal) των συσσωματωμάτων χαλαρής δομής (aggregates). Οι δυνάμεις Van der Waals είναι αποτέλεσμα του σχηματισμού στιγμιαίων διπόλων σε αφόρτιστα, μη-πολωμένα μορίων της εξάτμισης και συμβάλουν κυρίως στη συσσωμάτωση των μικρών σωματιδίων. Η συσσωμάτωση είναι ιδιαίτερα εμφανής και σε περιπτώσεις σωματιδίων ανομοιογενών μεγεθών καθώς τα μικρά σωματίδια που έχουν μεγάλη κινητικότητα παρουσιάζουν υψηλή πιθανότητα να συγκρουστούν/ενωθούν με άλλα μεγάλης διατομής. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται κυρίως η αριθμητική συγκέντρωση των μικρών σωματιδίων ενώ ταυτόχρονα διατηρείται η ολική μάζα της ΣΥ. Αλλάζει δηλαδή συνολικά λόγω του φαινομένου η κατανομή μεγέθους του αριθμού των σωματιδίων. 18

Εικόνα 1-14 Πιθανές διαδρομές του θείου S και των υδρογονανθράκων HC κατά την αραίωση των καυσαερίων (Particulates, 2011) Η συμπύκνωση είναι μια διαδικασία μετατροπή μάζας από την αέρια φάση στην κατάσταση ΣΥ, κάτω από την επίδραση υψηλής τάσης ατμών των συμπυκνώσιμων ατμών στο περιβάλλοντα αέρια. Προκαλεί αύξηση του όγκου των σωματιδίων αλλά δεν αλλάζει την αριθμητική τους συγκέντρωση. Η συμπύκνωση και η πυρηνογένεση είναι συχνά ανταγωνιστικές διαδικασίες, δεδομένου ότι και οι δυο αφορούν συμπυκνώσιμα αέρια που είτε θα συμπυκνωθούν πάνω σε προϋπάρχοντα σωματίδια (συμπύκνωση) είτε θα σχηματίσουν νέα σωματίδια περιοχής πυρήνα (πυρηνογένεση). Όταν δε έχουμε μικρές συγκεντρώσεις προϋπαρχόντων σωματιδίων τότε ευνοείται τόσο η παραγωγή νέων σωματιδίων όσο και η ανάπτυξή τους σε μεγαλύτερα μεγέθη. Αντιθέτως, όταν έχουμε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις προϋπαρχόντων σωματιδίων, τότε ευνοείται η συμπύκνωση των ημι-πτητικών οργανικών ατμών ενώ παράλληλα επιβραδύνεται τόσο η δημιουργία νέων πυρήνων όσο και η επιβίωση των ήδη υπαρχόντων εξαιτίας των υψηλών συγκρούσεων που δημιουργούν έντονα φαινόμενα συσσωμάτωσης. Η εξάτμιση είναι ακριβώς η αντίθετη διαδικασία της συμπύκνωσης που οδηγεί στη μείωση του όγκου των σωματιδίων. Συμβαίνει όταν τα μόρια που βρίσκονται 19

πάνω σε μια επιφάνεια ενός σωματιδίου μεταβαίνουν στην αέρια φάση και απομακρύνονται από την επιφάνεια κινούμενα προς το χαμηλής τάσης ατμών περιβάλλον. Τα υπέρλεπτα σωματίδια εξατμίζονται πιο γρήγορα απ ότι τα χοντρότερα λόγω της επίδρασης του φαινομένου Kelvin σε αυτά και χάνουν περισσότερο όγκο λόγω της πτητικής τους φύσης. Οι ημι-πτητικές οργανικές ενώσεις εξατμίζονται σχεδόν αμέσως από τα υγρά σωματίδια που αποτελούνται από άκαυστα καύσιμα, άκαυστο λάδι λίπανσης και θειικό αλάτι ( SO 2 4 ) και που σχηματίζονται λόγω πυρηνογένεσης και συμπύκνωσης κατά την αρχική αραίωση/ψύξη των καυσαερίων. Δεν είναι μόνο η θέρμανση βέβαια που εξατμίζει ένα πτητικό υλικό που βρίσκεται σε ένα υπέρλεπτο σωματίδιο. Ένας μικρός αριθμός οργανικών σωματιδίων υψηλής πτητικότητας και χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα μπορεί επίσης να οδηγήσει τα υπέρλεπτα σωματίδια σε μείωση του μεγέθους τους. Η ομάδα του Kuhn (2005) μελέτησε επισταμένα την εν λόγω μεταβολή: Ενώ θέρμαναν τα σωματίδια σε θερμοκρασία 60 ο C, δεν παρατηρήθηκε καμιά σημαντική απώλεια ούτε στην αριθμητική τους συγκέντρωση ούτε και στον όγκο τους. Τα ίδια σωματίδια μείωσαν στο μισό τον αρχικό τους όγκο στους 130 ο C καθώς στη θερμοκρασία αυτή διεγέρθηκε η πτητική τους φύση. Κατ επέκταση, η εξάτμιση φαίνεται να είναι σημαντική κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλών θερμοκρασιών (πχ. καλοκαίρι) καθώς και σε χώρους όπου έχουμε υψηλούς ρυθμούς αραίωσης και καινούριες εκπομπές ρύπων (πχ. ουρά καυσαερίων εξάτμισης). Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι όταν έχουμε μερική εξάτμιση, αυξάνεται ο ρυθμός της συσσωμάτωσης λόγω αύξησης του συντελεστή διάχυσης των σωματιδίων. Η ξηρή απόθεση είναι η διαδικασία κατά την οποία σωματίδια αφαιρούνται από το μείγμα αέρα καθώς επικάθονται σε κάποια επιφάνεια. Οφείλεται κατά κύριο λόγο στην κίνηση Brown και στην αδρανειακή πρόσκρουση των σωματιδίων. Η πρώτη περίπτωση αφορά κυρίως σωματίδια περιοχής πυρήνων λόγω μεγαλύτερου συντελεστή διάχυσης και η δεύτερη αφορά αποκλειστικά σωματίδια μεγαλύτερα από 100 nm σε συνθήκες τυρβώδους ροής. Η ξηρή απόθεση είναι μια διαδικασία σημαντική που πρέπει να εξετάζεται στα μοντέλα διάχυσης ανεξάρτητα από την κλίμακα αναφοράς. Η υγρή απόθεση αφαιρεί τα σωματίδια από το αέριο μείγμα καυσαερίων μέσω κατακρήμνισης. Αυτό μπορεί να συμβεί μέσω δυο διαδικασιών: (i) απόπλυσης (washout) και (ii) βροχόπλυσης (rainout). Γενικά, ο όρος απόπλυση χρησιμοποιείται 20

για να δηλώσει τη σάρωση των ρύπων κάτω από το νέφος των καυσίμων από υετό (βροχή, χιόνι κα) που πέφτει ενώ οι όρος rainout χρησιμοποιείται για την αντίστοιχη διεργασία όταν συμβαίνει όμως εντός του νέφους καυσίμου. Το φαινόμενο της απόπλυσης (washout) φαίνεται να παίζει σημαντικό ρόλο στη συγκράτηση της συγκέντρωσης των αερολυμάτων σε παγκόσμιο επίπεδο. Από την άλλη μεριά, η βροχόπλυση (rainout) είναι μια περιστασιακή διαδικασία που αφορά κυρίως την απομάκρυνση των χονδρών σωματιδίων και όχι αυτών που είναι υπέρλεπτα (<100nm). 21

1.6 Διαδικασίες μετασχηματισμού μετά την έξοδο των καυσαερίων, στις διάφορες κλίμακες μέτρησης 1.6.1 Μετά την έξοδο από το σωλήνα της εξάτμισης H ροή και η διασπορά των ρύπων στην ουρά των καυσαερίων μετά το σωλήνα της εξάτμισης έχει ήδη συζητηθεί σε προηγούμενη παράγραφο. Η ένταση της τύρβης και της αραίωσης μπορεί να περιγραφεί από έναν συντελεστή που ονομάζουμε βαθμό αραίωσης (Dilution Ratio - DR). Ο βαθμός αραίωσης ουσιαστικά αποτελεί τον λόγο του καυσαερίου μετά την αραίωση προς τον όγκο που είχε αρχικά - κατά την έξοδο από το σωλήνα της εξάτμισης. Μελέτες όπως αυτές των Zhang/Wexler (2004) και Kittelson (1998), δείχνουν ότι η αραίωση του καυσαερίου, μπορεί να φτάσει μέχρι και σε αναλογίες DR=1000:1 στα πρώτα 1-3 δευτερόλεπτα από την έξοδο των καυσαερίων στην ατμόσφαιρα. Οι ίδιες μελέτες δείχνουν επίσης ότι λόγω αυτής της ταχύτατης αραίωσης είναι πολύ δύσκολος ο πειραματικός εντοπισμός των μεταβολών που συντελούνται σε αυτό το πρώτο στάδιο, δηλαδή αυτού που βρίσκεται κοντά στο σωλήνα της εξάτμισης. Συνεπώς στην εν λόγω περιοχή, οι υπολογισμοί των συγκεντρώσεων προκύπτουν επακόλουθα μέσω της βοήθειας υπολογιστικών μοντέλων. Αντιθέτως, η περίπτωση της ροής των καυσαερίων που βρίσκονται μακρύτερα από την εξάτμιση είναι σχετικά λιγότερο περίπλοκη. Εκεί οι διεργασίες μπορεί να διαρκέσουν μέχρι και 10 δευτερόλεπτα ανάλογα με τις τοπικές συνθήκες. Πάντως, ανεξάρτητα από το αν εστιάζουμε κοντά στο σωλήνα της εξάτμισης ή μακριά, η αραίωση αποτελεί την πιο σημαντική παράμετρο που πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη σε ένα μοντέλο διασποράς ρύπων. Ύστερα ακολουθούν η πυρηνογένεση, η συμπύκνωση και η απόθεση των σωματιδίων ενώ η συσσωμάτωση από την άλλη μεριά, ειδικά σε τόσο μικρές χρονικές κλίμακες και μάλιστα για σωματίδια κάτω από 10nm είναι σχεδόν αμελητέα, όπως εξάλλου φαίνεται χαρακτηριστικά και στον Πιν.1 που βρίσκεται παρακάτω: 22

Πίνακας 1-1 Σύνοψη της σημασίας των διαφόρων διαδικασιών μετασχηματισμού σε διάφορες αστικές κλίμακες μέτρησης όσον αφορά τα μοντέλα διασποράς (Ketzel & Berkowicz, 2004; Kumar et al., 2010c). Τα σύμβολα +, - και 0 υποδεικνύουν την αύξηση, τη μείωση και τη μηδενική επιρροή επί της αριθμητικής συγκέντρωσης των σωματιδίων, αντίστοιχα. Τα ακρωνύμια I, V και n υποδηλώνουν τη σημαντική, αρκετά σημαντική και καθόλου σημαντική συμβολή αντίστοιχα. Διαδικασίες Επιρροή στη συγκέντρωση Ουρά καυσαερίων Δρόμος Γειτονιά Πόλη Τούνελ μετασχηματισμού των Σωματιδίων Αριθμητική Όγκου Μακριά Κοντά Εκπομπές + + V V V V V V Πυρηνογένεση + + V I I a I a I I Αραίωση ± ± V V V V V V Συσσωμάτωση - 0 n c n c n b n b I V Συμπύκνωση 0 + V I n b n b I I Εξάτμιση 0/- - I V I I n I Ξηρή απόθεση - - V V I I I V Υγρή απόθεση - - n n n n I n a Σημαντικό κοντά στην πηγή εκπομπής (πχ. εξάτμιση οχήματος), πιθανότατα όχι σημαντικό αργότερα αλλά θα εξαρτηθεί από τις συγκεντρώσεις του υποβάθρου, την αραίωση και άλλες μετεωρολογικές παραμέτρους όπως: ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου, θερμοκρασία, ηλιακή ακτινοβολία. b Εξαρτώμενο από τις συγκεντρώσεις του περιβάλλοντος, της νέες εκπομπές και άλλες μετεωρολογικές παραμέτρους ειδικά για μικρά σωματίδια (D p <10nm). c Αρκετά σημαντικό όταν αναφερόμαστε σε πολύ μικρά σωματίδια (D p <10nm). Σημαντικές διαπιστώσεις που εντοπίζονται στη διεθνή βιβλιογραφία για την εν λόγω περιοχή εκτίθενται παρακάτω. Οι Kumar et al. (2009c) μέτρησαν την κατανομή αριθμού και μεγέθους των σωματιδίων και βρήκαν ότι η αραίωση ήταν τόσο γρήγορη κοντά στο σωλήνα της εξάτμισης ενός αυτοκινήτου που κινείται που σχεδόν όλες οι μετατροπές είχαν πλήρως ολοκληρωθεί μέσα σε 1 δευτερόλεπτο. Η αραίωση γενικά αυξάνεται εκθετικά με την απόσταση (x) της ουράς των καυσαερίων και εξαρτάται κυρίως από τις συνθήκες της κυκλοφορίας των οχημάτων. Μελέτες όπως αυτές των Uhrner at al. (2007) και Zhang, Wexler (2004) έδειξαν επίσης ότι ο σχηματισμός και η ανάπτυξη νέων σωματιδίων περιοχής πυρήνα μέσω θειικού οξέος αποτελεί το βασικό μηχανισμό δημιουργίας πυρήνων και εξαρτάται κυρίως από την ποσότητα των συμπυκνώσιμων υλικών που παραμένουν σε αέρια φάση κατά την έξοδο από τον σωλήνα της εξάτμισης. Οι Ketzel et al. (2007) παρατήρησαν επίσης ότι οι εκπομπές 23

σωματιδίων μπορούν να διπλασιαστούν όταν η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων πέφτει από τους +20 o C στους 5 o C, και αυτό διότι η διαδικασία σχηματισμού νέων πυρήνων εξαρτάται αρκετά από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος καθώς επιταχύνει τη συμπύκνωση των οργανικών ενώσεων που περιέχονται στις αρχικές εκπομπές. Όσον αφορά την περίπτωση μελέτης μακριά από το σωλήνα της εξάτμισης πρέπει να αναφερθούν τα εξής. Η ομάδα του Pohjola et al. (2003) προσομοίωσε τη χρονική εξέλιξη των σωματιδίων Aitken και αυτών της περιοχής συσσώρευσης που εκπέμπονται από ένα αυτοκίνητο με κινητήρα diesel μικρού κυβισμού στην ουρά των καυσαερίων για 25sec. Βρήκαν ότι η συμπύκνωση των αδιάλυτων οργανικών ατμών παίζει πολύ σημαντικό ρόλο αν η συγκέντρωση τους υπερβαίνει τις τιμές των 10 10 και 10 11 (μόρια/cm -3 ) για την περιοχή Aitken και την περιοχή συσσώρευσης αντίστοιχα. Διαπίστωσαν επίσης ότι η επίδραση της συσσωμάτωσης είναι ουσιαστική μόνο αν αμελήσουμε την επίδραση της αραίωσης - πράγμα αδύνατο για ανοιχτό πεδίο. Σε μια παρόμοια μελέτη του Chan et al. (2010) βρέθηκε ότι η δημιουργία πυρήνων καθώς και η διαδικασία συσσωμάτωσης έχει σχεδόν ολοκληρωθεί στο κομμάτι της ουράς των καυσαερίων κοντά στo σωλήνα της εξάτμισης (δηλαδή εντός 0,25-0,5m) κι ότι η αραίωση που υφίστανται τα καυσαέρια διαχέει τα σωματίδια οριζοντίως προς την περιοχή μακριά του σωλήνα της εξάτμισης. Στην περιοχή μακριά του σωλήνα, τα σωματίδια μπορούν να συνεχίσουν να αυξάνονται σε μέγεθος μέσω συμπύκνωσης αλλά ο ρυθμός αύξησης του μεγέθους φθίνει αισθητά με την απόσταση λόγω της μείωσης του παράγοντα της αραίωσης καθώς και των συγκεντρώσεων των συμπυκνώσιμων αερίων. Διαπίστωσαν επίσης πως στην περιοχή αυτή, η συσσωμάτωση παίζει δευτερεύοντα ρόλο αλλά παρουσιάζει κάποια επίδραση στα σωματίδια κάτω των 10nm ή κάτω από αργές συνθήκες αραίωσης του καυσαερίου. Σε κάθε περίπτωση λοιπόν, η συσσωμάτωση είναι μια διαδικασία που μπορεί εύκολα να αγνοηθεί στην κατάστρωση ενός μοντέλου. Όσον αφορά τέλος τις διαδικασίες απόθεσης, πρέπει να αναφερθεί ότι τόσο για την περιοχή κοντά όσο και για αυτήν που βρίσκεται μακριά από το σωλήνα της εξάτμισης η ξηρή απόθεση είναι μια διαδικασία που σε καμιά περίπτωση δεν μπορεί να αγνοηθεί καθώς έχουμε επικάθιση των σωματιδίων στην επιφάνεια του δρόμου. Αντίθετα, για την υγρή απόθεση η βροχόπλυση (rainout) μπορεί εύκολα να αγνοηθεί γι αυτήν την κλίμακα μέτρησης ενώ η απόπλυση (washout) παραμένει ένας 24

σημαντικός συντελεστής στις διαδικασίες μετατροπής (Gidhagen et al., 2004a, 2004b). 1.6.2 Στο δρόμο Υπάρχει μια γενική συναίνεση στη διεθνή βιβλιογραφία ότι οι διαδικασίες της αραίωσης και της ξηρής απόθεσης πρέπει να εξετάζονται λεπτομερώς στα μοντέλα διάχυσης που αναφέρονται στην κλίμακα του δρόμου. Και σε αυτό το επίπεδο υπολογισμού, η αραίωση εξακολουθεί να είναι η κυρίαρχη διεργασία ενώ επίσης παρατηρείται μια υψηλή συσχέτιση ανάμεσα στην αριθμητική συγκέντρωση της ΣΥ και αυτής των οξειδίων του αζώτου (NO x ) τα οποία είναι γενικά αδρανή στην εν λόγω κλίμακα (Jacobson & Seinfeld, 2004; Ketzel et al., 2007). Όσον αφορά από την άλλη την ξηρή απόθεση, παρατηρούνται έντονες διεργασίες τοιχώματος σωματιδίων καθώς τα σωματίδια συγκρατούνται από την επιφάνεια του δρόμου και τους περιβάλλοντες τοίχους των κτιρίων. Η επίδραση της επικάθισης των σωματιδίων εξαρτάται έντονα από τις συνθήκες κίνησης των οχημάτων και μπορεί να μειώσει τη συνολική αριθμητική συγκέντρωση των σωματιδίων στο δρόμο κατά 10-20% (Gidhagen et al., 2004a; Ketzel et al., 2007). Υπάρχουν δύο ισχυρισμοί σχετικά με το ρόλο των πυρήνων, της συσσωμάτωσης και της συμπύκνωσης στην εν λόγω κλίμακα. Ο πρώτος υποστηρίζει ότι οι παραπάνω διεργασίες πρέπει να συμπεριλαμβάνονται στα υπολογιστικά μοντέλα ενώ ο δεύτερος ότι μπορούμε κάλλιστα να τις αγνοήσουμε. Στις βιβλιογραφικές αναφορές υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις ότι και οι δυο θεωρήσεις μπορούν να είναι ακριβείς καθώς η επίδραση των συγκεκριμένων διεργασιών ποικίλει ανάλογα με τις τοπικές συνθήκες, τη συγκέντρωση των αρχικών εκπομπών στο καυσαερίων, τα συγκέντρωση των σωματιδίων που προ-υπήρχαν στο περιβάλλον καθώς και τις μετεωρολογικές συνθήκες (Charron & Harrison, 2003; Wehner et al, 2002). Επιπλέον, κάτω από ορισμένες συνθήκες οι παραπάνω διεργασίες μπορούν να έχουν ανταγωνιστική σχέση κι έτσι να αλληλοακυρώνουν την δράση τους ή να υπολείπονται αρκετά της επίδρασης της αραίωσης. Για παράδειγμα η (υγρή) απόθεση, που επενεργεί περίπου 10 φορές λιγότερο απ ότι η αραίωση (Kumar et al., 2009a, 2008c) κι έτσι δεν επηρεάζει παρά ελάχιστα τον συνολικό αριθμό των 25

σωματιδίων. Η παραπάνω μελέτη υποστηρίζει επίσης ότι το ίδιο μπορεί να συμβεί και για την κατανομή μεγέθους: Η αραίωση όντας πολύ γρήγορη, δεν επιτρέπει στις άλλες διεργασίες να επηρεάσουν παρά ελάχιστα το μέγεθος των σωματιδίων. Στην παρακάτω εικόνα εκτίθεται η εν λόγω μελέτη της ομάδας του Kumar (2009c). Συγκεκριμένα, θεωρήθηκαν 4 διαφορετικά ύψη μέτρησης (1, 2,25, 4,62 και 7,37 m) σε έναν κοινότυπο δρόμο του Cambridge της Αγγλίας, με κτίρια μέσου ύψους 11,75m. Όπως φαίνεται και στα διαγράμματα της Εικ.1-15, η αριθμητική συγκέντρωση και η κατανομή των σωματιδίων ήταν περίπου ίδια και στις τέσσερεις περιπτώσεις. Εικόνα 1-15. Κατανομές μεγέθους σωματιδίων για 4 διαφορετικά ύψη (a) z/h=0,09, (b) z/h=0,19, (c) z/h=0,40 and (d) z/h=0,64 σε δρόμο μέσου ύψους Η=11,75m (Kumar et al.,2008c). Με μπλε αναπαρίσταται η κατανομή ακριβώς όπως μετρήθηκε, με μωβ η διορθωμένη κατανομή (αφαιρέθηκε η επίδραση των απωλειών στα τοιχώματα των σωλήνων δειγματοληψίας) ενώ οι διακεκομμένες γραμμές παρουσιάζουν την καμπύλη προσαρμογής που επιλέχθηκε για τη διόρθωση των αρχικών κατανομών. Οι ράβδοι σφάλματος δείχνουν την τυπική απόκλιση που παρουσιάζουν ανά ύψος οι αριθμητικές κατανομές. 26

1.6.3 Στην κλίμακα της γειτονιάς και της πόλης Υπάρχουν αντικρουόμενα συμπεράσματα σχετικά με το ρόλο της συσσωμάτωσης σε συνθήκες αστικού περιβάλλοντος. Κάποιες μελέτες δείχνουν ότι η συσσωμάτωση είναι πολύ αργή για να αλλάξει την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων (Gidhagen et al., 2005; Zhang & Wexler, 2002) ενώ άλλες δείχνουν σημαντική αύξηση μεγέθους κάτω από την επίδραση της συσσωμάτωσης (Wehner et al., 2002, Gidhagen et al., 2003). Σε μια κλίμακα μεγέθους πόλης βέβαια, τα μοντέλα συγκλίνουν στο δεύτερο συμπέρασμα (Ketzel & Berkowicz, 2005). Οι παραπάνω ερευνητές διαπιστώνουν ότι η συσσωμάτωση μπορεί να αφαιρέσει μέχρι και 10% της αριθμητικής συγκέντρωσης ΣΥ, ενώ η ξηρή απόθεση 50-70%. Η συμπύκνωση και η εξάτμιση από την άλλη δεν επηρεάζουν την ολική αριθμητική συγκέντρωση αλλά αλλάζουν τον όγκο και το μέγεθος των σωματιδίων. Ακόμα, στην εν λόγω κλίμακα, εξακολουθούν να επενεργούν μηχανισμοί παραγωγής νέων πυρήνων. 1.6.4 Σε ένα τούνελ Σε ένα απομονωμένο περιβάλλον όπως αυτό ενός τούνελ, τα σωματίδια συσσωρεύονται, συγκρούονται και συγχωνεύονται μεταξύ τους. Όσο πιο μακριά η σήραγγα τόσο πιο μεγάλη η συσσώρευση των σωματιδίων και άρα τόσο πιο έντονη η συχνότητα του παραπάνω φαινομένου. Έτσι, μελέτες προσδιόρισαν ότι οι κυρίαρχες διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε μια σήραγγα είναι αυτές της συσσωμάτωσης και της απόθεσης (Gidhagen et al., 2003; Sturm et al., 2003) με αυξημένη επιρροή στα μικρότερα σωματίδια ( <30nm). Μπορούν να οδηγήσουν δε συνδυαστικά, σε απώλειες αριθμητικής συγκέντρωσης 77% και 41% για σωματίδια μεγέθους μικρότερων των 10nm και μεταξύ 10 και 29nm αντίστοιχα. Επίσης, λόγω της παρουσίας πρόδρομων αερίων σε υψηλή συγκέντρωση καθώς και έντονων τυρβωδών αναταράξεων λόγω της κίνησης των οχημάτων, το τούνελ αποτελεί ιδανικό 27

περιβάλλον ανάπτυξης μηχανισμών πυρηνογένεσης. Ωστόσο, η συσσωμάτωση είναι γενικά πιο γρήγορη κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες και συνεπώς αφαιρεί αποτελεσματικά όλα τα νεοδημιουργηθέντα σωματίδια περιοχής πυρήνα (Cheng et al., 2010; Gidhagen et al., 2003; Ketzel and Berkowicz, 2004). 28

1.7 Αντικείμενο διπλωματικής 1.7.1 Γενικές σκέψεις O σύγχρονος άνθρωπος του αστικού περιβάλλοντος οδηγεί ολοένα και περισσότερα χιλιόμετρα ενώ ξοδεύει περισσότερο χρόνο από ποτέ μέσα στο αυτοκίνητό του, στα λεωφορεία και ειδικά σε καταστάσεις αυξημένης κυκλοφοριακής συμφόρησης. Ο Πίνακας 1-2 παρουσιάζει τα δεδομένα που σχετίζονται με το μέσο χρόνο μετακίνησης των πολιτών για την Ευρώπη. Επιπλέον, τα άτομα που περπατούν σε κοντινή απόσταση από την κίνηση των οχημάτων εκτίθενται και αυτά στις εν λόγω εκπομπές. Πίνακας 1-2. Χρόνος σχετιζόμενος με μετακινήσεις για τους πολίτες της ΕΕ (σε ώρες/ημέρα) Σύνολο Άντρες Γυναίκες Περιβάλλον Από/προς τη δουλειά 0,36 0,44 0,28 Μεταφορά Μετακινήσεις για σπουδές 0,03 0,03 0,03 Μεταφορά Μετακινήσεις για αγορές 0,25 0,22 0,28 Μεταφορά Μεταφορά παιδιών 0,05 0,03 0,07 Μεταφορά Άλλες εσωτερικές μετακινήσεις 0,05 0,07 0,04 Μεταφορά Μετακινήσεις ελεύθερου χρόνου 0,45 0,48 0,42 Μεταφορά Απροσδιόριστες μετακινήσεις 0,11 0,12 0,1 Μεταφορά Γενικές σκέψεις σχετικά με την έκθεση κοντά στο σωλήνα της εξάτμισης Οι συνθήκες κοντά στην πηγή εκπομπής διαφέρουν από τις τυπικές συνθήκες του υποβάθρου. Οι αριθμητικές συγκεντρώσεις είναι αρκετά πιο μεγάλες 29

Η αραίωση/ψύξη του καυσαερίου μείγματος ενδέχεται είτε να μειώσει την αριθμητική συγκέντρωση είτε να προκαλέσει την πυρηνογένεση νέων σωματιδίων. Οι νέες τεχνολογίες, όπως το φίλτρα σωματιδίων diesel, μπορούν να εξαλείψουν τα σωματίδια αιθάλης (στερεά κλάσματα και κυρίως σωματίδια περιοχής συσσώρευσης) αλλά τα σωματίδια περιοχής πυρήνων (πτητικά και ημι-πτητικά κλάσματα) μπορούν να εξακολουθούν να παρουσιάζονται σε υψηλές συγκεντρώσεις εξαιτίας των διαδικασιών πυρηνογένεσης που συντελούνται κατά τη διάρκεια της αραίωσης και της ψύξης του καυσαερίου μείγματος. Συνακόλουθα, η έκθεση μέσα στα αυτοκίνητα μπορεί να είναι αρκετά μεγαλύτερη απ ότι έξω, ακόμα και όταν μιλάμε για το πεζοδρόμιο. Αυτό συμβαίνει επειδή το κάθε όχημα περικλείεται από τα καυσαέρια των οχημάτων που προπορεύονται. Συνεπώς, όσο μικρότερη είναι η απόσταση του αυτοκινήτου που βρίσκεται μπροστά, τόσο μεγαλύτερη είναι και η εισροή καυσαερίων στον αέρα εισροής εντός του οχήματος. Πίνακας 1-3. Σχετικές τιμές συγκέντρωσης καυσαερίων αυτοκινήτου, ανά δειγματοληψία Εντός αυτοκινήτου στην ουρά άλλου 30 Στο πεζοδρόμιο κοντά στο ρεύμα κυκλοφορίας 10 10-20 m από το ρεύμα κυκλοφορίας 5 50-100 m από το ρεύμα κυκλοφορίας 1 Η έκθεση εντός των αυτοκινήτων αξίζει ιδιαίτερης προσοχής όχι μόνο λόγω του υψηλού επιπέδου συγκέντρωσης καυσαερίων αλλά και λόγω της συχνής καθημερινής τους χρήσης. Ένα ιδιαίτερο σημείο ανησυχίας είναι η συχνή χρήση αυτοκινήτων από εγκύους καθώς και η μεταφορά μικρών παιδιών. Η συγκεντρώσεις ποικίλουν ανάλογα με τους εξής παράγοντες: - Τρόπος οδήγησης (ταχύτητα ροής καυσαερίων και σύσταση) - Συνθήκες κυκλοφορίας στο δρόμο - Κατάσταση μηχανής 30