ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΚΥΡΙΩΝ ΠΗΓΩΝ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ ΓΙΑ ΤΑ ΛΕΠΤΟΜΕΡΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΑΣ2.5 ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΗΣ ΑΘΗΝΑΣ - Μαντάς, Ευάγγελος (Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών, 2015)
Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε συστηματική παρακολούθηση των συγκεντρώσεων και της χημικής σύστασης των PM2.5 κατά τη διάρκεια μίας περιόδου 3 ετών (από Φεβρουάριο 2010 έως Απρίλιο 2013) σε αστική περιοχή, στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου. Συλλέχθηκαν δύο τύποι 24-ωρων ατμοσφαιρικών δειγμάτων PM2.5: 271 δείγματα σε φίλτρα τεφλόν (PTFE) και 116 δείγματα σε φίλτρα χαλαζία (Quartz). Προσδιορίστηκαν ημερήσιες συγκεντρώσεις των PM2.5 και για τους δύο τύπους δειγμάτων. Στα φίλτρα PTFE προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις ολικού θείου, χαρακτηριστικών στοιχείων εδαφικού υλικού και αυτών με σημαντική τέτοια συνιστώσα (Αl, Si, Fe, Ca, Κ, Mg, Ti), ιχνημετάλλων (Zn, Pb, Cu, Ni, V, Cr, Mn) και υδατοδιαλυτών ιόντων (Cl-, ΝΟ3-, SO42-, Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+). Στα φίλτρα Quartz προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις οργανικού (OC) και στοιχειακού άνθρακα (EC) καθώς και των υδατοδιαλυτών ιόντων. Το σύνολο των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψε συγκαταλέγεται μεταξύ των ελάχιστων, ως προς τον αριθμό των δειγμάτων που συλλέχθηκαν και των χημικών ειδών που προσδιορίστηκαν, για αστικό Μεσογειακό περιβάλλον. Ο ταυτόχρονος προσδιορισμός του δευτερογενώς παραγόμενου ανόργανου αερολύματος και του ανθρακικού κλάσματος των PM2.5 επέτρεψε την ποσοτική εκτίμηση αυτών των δύο κύριων συστατικών ανθρωπογενούς προέλευσης στη μάζα των PM2.5. Η μελέτη της χρονικής μεταβλητότητας των χημικών ειδών που προσδιορίστηκαν, η οποία συνδέεται με μια προκαταρκτική ταξινόμηση των τροχιών αερίων μαζών, έδειξε ότι οι συγκεντρώσεις στο σημείο αποδέκτη επηρεάζονται έντονα από τοπικά αερολύματα και αερολύματα που μεταφέρονται από μεγάλες αποστάσεις. Τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των θειικών συνδέονται με αέριες μάζες που προέρχονται από βόρειες διευθύνσεις, ενώ τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των στοιχείων του εδαφικού υλικού συνδέονται με αέριες μάζες που προέρχονται από τη βορειοδυτική Αφρική, κατά τη διάρκεια των επεισοδίων μεταφοράς σκόνης από τη Σαχάρα. Τα αποτελέσματα αυτά έδειξαν ότι ήταν απαραίτητη περαιτέρω διερεύνηση του θέματος. Για το λόγο αυτό, εφαρμόστηκαν στα πειραματικά αποτελέσματα οι αλγόριθμοι Θετικής Παραγοντικής Ανάλυσης (Positive Matrix Factorization, PMF) και Concentration Weighted Trajectory (CWT). Για το ισοζύγιο μάζας θεωρήθηκαν τα παρακάτω κλάσματα: δευτερογενώς παραγόμενο ανόργανο αερόλυμα (Secondary Inorganic Aerosol, SIA), οργανική ύλη (Organic Matter, OM), στοιχειακός άνθρακας (Elemental Carbon, EC), σκόνη (Dust), ανθρωπογενές ανόργανο αερόλυμα (Mineral anthropogenic component, MIN) και θαλασσινό αλάτι (Sea Salt, SS). Τα αποτελέσματα από τον υπολογισμό του ισοζυγίου μάζας έδειξαν ότι SΙΑ και OM συμβάλλουν στη μάζα των PM2.5 σχεδόν ισόποσα: 30–36% και 30% αντίστοιχα. Η συνεισφορά των ΕC, SS και MIN στη μάζα των PM2.5 είναι 5, 4 και 3%, αντίστοιχα. Η σκόνη συνεισφέρει 3-5% της μάζας των PM2.5 απουσία επεισοδίων μεταφοράς σκόνης, ενώ φτάνει σε πολύ μεγαλύτερο ποσοστό σε περίπτωση εκδήλωσης επεισοδίων μεταφοράς σκόνης. Η μέση συνεισφορά της σκόνης στα PM2.5 προσεγγίζει ποσοστό 9%. Οι παραπάνω συνεισφορές δικαιολογούν τουλάχιστον το 80% της μάζας των PM2.5. Ο καταμερισμός των πηγών εκπομπής των σωματιδίων (source apportionment) πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της Θετικής Παραγοντικής Ανάλυσης (PMF). Από το συνδυασμό των αποτελεσμάτων της PMF και από τις δύο χρονοσειρές, προέκυψαν έξι παράγοντες: (1) SO42-, NH4+, OC (βιομηχανικές πηγές, δευτερογενώς παραγόμενο αερόλυμα, συμβολή περιφερειακών πηγών), (2) EC, OC, K και ιχνημέταλλα (κυκλοφορία οχημάτων και καύση βιομάζας, κινητές και σταθερές πηγές τοπικής προέλευσης), (3) Ca, EC, OC και ιχνημέταλλα (επαναιώρηση της σκόνης των δρόμων και σκόνη από κατασκευαστικά έργα-αστική σκόνη-αντιπροσωπεύοντας τις εξατμίσεις οχημάτων), (4) δευτερογενής σχηματισμός νιτρικών (κυκλοφορία οχημάτων), (5) Na, Cl (θαλάσσιο αερόλυμα) και (6) Si, Al, Ti, Ca, Fe (μεταφορά σκόνης από τη Σαχάρα). Οι παράγοντες αυτοί δεν αντανακλούν μόνο τις κύριες πηγές εκπομπών αλλά τονίζουν τον καίριο ρόλο της δυναμικής της ατμόσφαιρας και των διαδικασιών γήρανσης του αερολύματος στο αστικό μεσογειακό περιβάλλον του λεκανοπεδίου Αττικής. Τα αποτελέσματα της ποσοστιαίας συνεισφοράς κάθε παράγοντα στη μάζα των PM2.5 συνάδουν με εκείνα που ελήφθησαν από το ισοζύγιο μάζας. Η χωρική κατανομή των περιοχών-πηγών των PM2.5 που επηρεάζουν την ατμόσφαιρα του λεκανοπεδίου προσδιορίστηκε με την εισαγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων των συγκεντρώσεων και της σύστασης των PM2.5 στον αλγόριθμο Concentration Weighted Trajectory (CWT). Αυτή η μέθοδος του CWT για τα χημικά είδη που προσδιορίζονται στα PM2.5 είναι πρωτότυπη για την Ελλάδα και ανάμεσα στις λίγες στη βιβλιογραφία. Οι χάρτες που προέκυψαν καταδεικνύουν με σαφήνεια την επιρροή των ανθρωπογενών και φυσικών πηγών και τη σχετική συνεισφορά τοπικών εκπομπών και εκπομπών από μεγάλες αποστάσεις στη μάζα των PM2.5. Για τα θειικά, τα αμμωνιακά και τον οργανικό άνθρακα, μια σημαντική περιφερειακή συνεισφορά στη μάζα των PM2.5 στο λεκανοπέδιο αποδίδεται σε εισροές αερίων μαζών από Βορρά, μέσω της Ελλάδας και της Βαλκανικής χερσονήσου (κυρίως Βουλγαρία). Οι αέριες μάζες που προέρχονται από τη βορειοδυτική Αφρική, κατά τη διάρκεια επεισοδίων σκόνης από τη Σαχάρα, και τη Μεσόγειο εμπλουτίζουν το αερόλυμα με συστατικά από διαφορετικές πηγές καύσης, όπως τα νιτρικά. Το θαλάσσιο αερόλυμα προέρχεται από το Ιόνιο Πέλαγος καθώς επίσης και από νότιες διευθύνσεις, μέσω του Σαρωνικού. Τα μέγιστα των συγκεντρώσεων των στοιχείων του εδαφικού υλικού που παρατηρήθηκαν οφείλονται στην εισροή σκόνης από τη Σαχάρα και συνδέονται σχεδόν αποκλειστικά με αέριες μάζες που προέρχονται από νότιες/ νοτιοδυτικές διευθύνσεις μέσω της Αλγερίας, της Τυνησίας και της Λιβύης.