Σωματίδια PM10 και PM2.5 στην Ευρώπη: τοπικές πήγες, ατμοσφαιρική μεταφορά, επιπτώσεις στην ποιότητα του αέρα

Abstract

The aim of this project was to define local and regional sources of PM10 and PM2.5 at 20 major European cities, while an estimation of health risks associated with air pollution levels in those areas was also attempted, by the use of air quality indexes. The selection of those cities was based at the availability of air pollution data, especially for PM2.5. The European continent was divided in five main sectors: Southern Europe, North-Northeastern Europe, Central Europe, Southeastern Europe and Northwest Europe, in order to facilitate the identification of possible common air pollution characteristics, among each sector’s cities. At first Pearson correlation coefficients were calculated among the daily concentrations of particulates and gaseous air pollutants: NO2, SO2, CO and O3, while the application of primal component analysis (PCA) defined components corresponding in specific types of air pollution. Gaseous air pollutants were used as indicators of the emission sources. Possible seasonal variations of PM2.5/PM10 daily ratio values were also used, as markers of PM sources influencing particulate size distribution. By the computation with HYSPLIT model of air mass trajectories that were then divided in clusters according to their origination and length, the localization of distant aerosol sources affecting PM levels in Europe was able to be performed. Finally air quality indexes that combine the levels of particulates and gaseous air pollutants were applied, in order to achieve a clear image of the atmosphere’s status for human exposure at each area that is under study. In general fine (PM2.5) and coarse (PM10) particle levels were intensively correlated, thus common sources are suggested. Combustion originated gaseous pollutants (CO, NO2, SO2) were strongly associated to particulates, primarily at central areas that are severely affected by vehicular emissions, thus traffic was defined as a major contributor to the total production of PM. At monitoring stations that are situated inside urban parks or are neighbouring to large rural areas and forests, daily PM2.5/PM10 ratio presented its minimum values during warm periods. The reduction of fine particles proportion in the total PM10 mass was attributed to the higher volume of airborne coarse PM during spring and summer, due to dust resuspension and also due to emissions from natural sources (pollen, seeds). The principal exogenous sources of aerosols affecting the southern part of Europe were localized at Northwest Africa and the Mediterranean, due to the transportation of dust from the Sahara Desert and sea spray respectively. Regional sources influencing PM10 levels at Central and North-Northeast Europe were identified mainly within Germany, France, Poland and Northern Italy, where major industrial facilities, rural areas and forests exist. The Northwest part of Europe receives large quantities of airborne particulates from Germany, France and the United Kingdom, while transportation of sea spray from the Northern part of the Atlantic and the North Sea is also observed. The atmosphere of cities that are situated at the Southeast part of Europe is primarily enriched by aerosols, originated from neighboring areas that extend within the Balkan Peninsula and Northern Italy. Incidents of sea spray transport from the Mediterranean and dust intrusions from the Sahara desert were found to be limited at the under study cities of Southeast Europe, and were characterized as secondary causes of episodic PM10 concentrations.

Στόχος αυτής της εργασίας ήταν ο καθορισμός των τοπικών και των απομακρυσμένων πηγών για τα σωματίδια PM10 και PM2.5 σε 20 μεγάλες πόλεις της Ευρώπης, ενώ επιχειρήθηκε και μια εκτίμηση της συνολικής επικινδυνότητας της ατμόσφαιρας για τον πληθυσμό κάθε περιοχής, με τη χρήση δεικτών ποιότητας αέρα. Η επιλογή των πόλεων έγινε με βάση τη διαθεσιμότητα των δεδομένων ατμοσφαιρικής ρύπανσης, κυρίως σε ότι αφορά τα PM2.5. Η Ευρωπαϊκή Ήπειρος διαχωρίστηκε σε 5 μεγάλους τομείς: Νότια Ευρώπη, Βόρεια-Βορειοανατολική Ευρώπη, Κεντρική Ευρώπη, Νοτιοανατολική Ευρώπη και Βορειοδυτική Ευρώπη, για να διευκολυνθεί ο εντοπισμός πιθανών κοινών χαρακτηριστικών της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, μεταξύ των πόλεων κάθε τομέα. Αρχικά υπολογίστηκαν οι συντελεστές συσχέτισης Pearson ανάμεσα στα ημερήσια επίπεδα των σωματιδίων και εκείνα των άλλων αέριων ρυπαντών: NO2, SO2, CO και O3, ενώ ακολούθως η εφαρμογή της ανάλυσης σε κύριες συνιστώσες (PCA), καθόρισε παράγοντες που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες πηγές ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Οι αέριοι ρυπαντές λειτούργησαν ως δείκτες της προέλευσης των εκπομπών. Επίσης μελετήθηκαν οι τιμές του ημερήσιου λόγου PM2.5/PM10 για τον εντοπισμό τυχόν εποχιακών διακυμάνσεων. Από τον υπολογισμό ατμοσφαιρικών τροχιών αερίων μαζών με χρήση του λαγκρανζιανού μοντέλου διασποράς HYSPLIT και εν συνεχεία από το διαχωρισμό τους σε συστάδες ανάλογα με την κατεύθυνση και το μήκος τους, κατέστη εφικτός ο εντοπισμός των απομακρυσμένων πηγών σωματιδίων που συμβάλουν στη διαμόρφωση των επιπέδων για τα PM10 στην Ευρώπη. Τέλος πολλαπλοί συνδυασμένοι δείκτες εφαρμόστηκαν για την αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα για τον πληθυσμό κάθε περιοχής. Από τον υπολογισμό των συντελεστών συσχέτισης Pearson ανάμεσα στις ημερήσιες συγκεντρώσεις των PM10 και PM2.5, βρέθηκαν στο σύνολο των σταθμών υψηλές συσχετίσεις, ως αποτέλεσμα των κοινών πηγών τους. Οι ισχυρές συσχετίσεις μεταξύ των PMS και των αέριων ρυπαντών CO, NO2 και SO2, ειδικά σε θέσεις μετρήσεων που επηρεάζονται έντονα από την κίνηση των οχημάτων και βρίσκονται στο κέντρο των πόλεων, αποδίδονται στην μεγάλη συμβολή των καύσεων και ειδικά της κυκλοφορίας στη συνολική παραγωγή σωματιδίων. Σε σταθμούς που βρίσκονται μέσα σε πάρκα ή γειτνιάζουν με μεγάλες αγροτικές και δασικές εκτάσεις, το ποσοστό των PM2.5 μέσα στα PM10 όπως περιγράφεται από την αναλογία PM2.5/PM10, βρέθηκε να ελαττώνεται σημαντικά κατά τη θερμή περίοδο των υπό εξέταση ετών. Η μείωση αυτή αποδόθηκε στη πιο έντονη παρουσία φυσικής προέλευσης χονδρόκοκκων (PMCOARSE) σωματιδίων (σκόνη, γύρη, σπόροι κτλ), κατά την άνοιξη και το θέρος. Η κύριες εξωτερικές πηγές PM10 για το νότιο τμήμα της Ευρώπης βρέθηκαν να είναι η έρημος Σαχάρα και η Μεσόγειος, από τις οποίες πραγματοποιείται μεταφορά σκόνης και θαλάσσιας πιτύλου αντίστοιχα. Οι πηγές των εξωγενών PM10 για τις πόλεις της Βόρειας-Βορειοανατολικής και Κεντρικής Ευρώπης, βρίσκονται κυρίως στη Γερμανία, τη Γαλλία, την Πολωνία και τη βόρεια Ιταλία, όπου υπάρχουν σημαντικές βιομηχανικές εγκαταστάσεις αλλά και δασικές εκτάσεις. Το βορειοδυτικό τμήμα της Ευρώπης δέχεται ποσότητες αερολυμάτων από τη Γαλλία, τη Γερμανία και τη Μεγάλη Βρετανία, ενώ σημαντική είναι και η πιθανότητα μεταφοράς αλάτων από τον Ατλαντικό ωκεανό και τη Βόρεια θάλασσα. Στην ατμόσφαιρα των υπό εξέταση πόλεων της Νοτιοανατολικής Ευρώπης, εισρέουν κυρίως αερολύματα από γειτονικές περιοχές της Βαλκανικής Χερσονήσου αλλά και από τη Βόρεια Ιταλία, ενώ εντοπίστηκε επίσης περιορισμένος αριθμός περιστατικών εισαγωγής σκόνης από την έρημο Σαχάρα, καθώς και μεταφοράς θαλάσσιας πιτύλου από τη Μεσόγειο.