Πειραματική και αριθμητική μελέτη της αιωρούμενης σωματιδιακής ύλης (TSP, PM10, PM2.5, PM1) και της χημικής της σύστασης πάνω απο την ευρύτερη περιοχή της Αττικής
Authors: Πατεράκη Στυλιανή 
Published: August 2021

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή συνιστά μία Πειραματική Μελέτη της Αιωρούμενης Σωματιδιακής Ύλης, σε μία Μεσογειακή αστική περιοχή με έντονα προβλήματα (αερολύματα φυσικής και ανθρωπογενούς προέλευσης), όπως είναι η Ευρύτερη Περιοχή της Αττικής. Ενισχυτικά, γίνεται μία προσπάθεια ποιοτικής Αριθμητικής Προσέγγισης. Η ποσοτικοποίηση της σωματιδιακής ρύπανσης, η κατανόηση της συμπεριφοράς και του χαρακτήρα (χημική σύσταση, προσδιορισμός/ποσοτικοποίηση πηγών) των αερολυμάτων, η εξέταση της σχέσης/διαφοροποίησης της φύσης των σωματιδίων από τους ανόργανους ρύπους αλλά και η διερεύνηση του ρόλου των μετεωρολογικών παραμέτρων (θερμοκρασία, υγρασία, άνεμος) και της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας (συνοπτικής και μέσης κλίμακας) στη διαμόρφωση της ποιότητας του αέρα αποτελούν θέματα τα οποία πραγματεύεται η συγκεκριμένη Διατριβή. Το Πειραματικό Μέρος συνίσταται από δύο ξεχωριστές Πειραματικές Μελέτες. Η πρώτη Μελέτη αφορά στη διερεύνηση της συμπεριφοράς των PM2.5 σε χρονική διάρκεια 53 μηνών την περίοδο 2003-2008 με ταυτόχρονη ανάλυση δεδομένων PM10 και PM2.5-10. Η μεγάλη διάρκεια της δειγματοληψίας, η ταυτόχρονη εξέταση τριών κλασμάτων και η ταυτόχρονη διερεύνηση του ρόλου της μετεωρολογίας (άνεμος, θερμοκρασία, σχετική υγρασία, ατμοσφαιρική κυκλοφορία) καθιστούν την προκύπτουσα βάση δεδομένων, σύμφωνα με τη υπάρχουσα γνώση, μία από τις σημαντικότερες για τη Διεθνή Βιβλιογραφία και τη μοναδική για την περιοχή της Μεσογείου. Η δεύτερη Μελέτη αφορά στη διερεύνηση της συμπεριφοράς αερολυμάτων με διαφορετική αεροδυναμική διάμετρο (TSP, PM10, PM2.5, PM1) σε χρονική διάρκεια 127 ημερών την περίοδο 29/2-5/8/08. Οι πειραματικές περιοχές επιλέχθηκαν προσεκτικά ώστε να βρίσκονται πάνω στον κύριο άξονα (Β-Ν) του Λεκανοπεδίου και να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά (Βαρυμπόμπη, Πεντέλη, Αγία Παρασκευή, Βοτανικός, Τούρλος (Αίγινα)). Η ταυτόχρονη μελέτη των λεπτόκοκκων κλασμάτων ΡΜ2.5 και ΡΜ1 σε συνδυασμό με τον ταυτόχρονο προσδιορισμό της συγκέντρωσης Ιόντων (7), Στοιχειακού/Οργανικού Άνθρακα και Πολυκυκλικών Αρωματικών Υδρογονανθράκων (26) στα συλλεχθέντα δείγματα καθώς και την ταυτόχρονη διερεύνηση του ρόλου της Μετεωρολογίας (άνεμος, θερμοκρασία, υγρασία, ατμοσφαιρική κυκλοφορία) καθιστούν την προκύπτουσα βάση δεδομένων ιδιαίτερα σημαντική για τη Διεθνή Βιβλιογραφία και τη μοναδική για την περιοχή της Μεσογείου. Υπενθυμίζεται η απουσία της όποιας πληροφορίας για τα ΡΜ1 αλλά και για τη χημική σύσταση των λεπτόκοκκων κλασμάτων ως προς τον άνθρακα στην Ελληνική Βιβλιογραφία. Σχετικά με το Αριθμητικό Μέρος, έγινε χρήση του Φωτοχημικού Μοντέλου CAMx (σε συνδυασμό με το Μετεωρολογικό Μοντέλο Μέσης Κλίμακας ΜΜ5) για την ποιοτική κατανόηση της χωρικής και χρονικής κατανομής των αερολυμάτων και των συμβατικών ρύπων για 2 επιλεγμένες περιπτώσεις τριημέρων. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων επιβεβαιώνει πλήρως την πολυπλοκότητα του χαρακτήρα της αιωρούμενης σωματιδιακής ύλης. Έχοντας τη δυνατότητα ταυτόχρονης προέλευσης από πολλές και διαφορετικές πηγές, τα αερολύματα διαφοροποιούνται πλήρως από τους ανόργανους ρύπους (ΝΟx, O3). Ο μεγαλύτερος χρόνος παραμονής στην ατμόσφαιρα, η αυξημένη σημασία της μεταφοράς, της ατμοσφαιρικής χημείας και η διπλή φύση των λεπτόκοκκων κλασμάτων οδηγούν στη μεγιστοποίηση της διαφοροποίησης και τη μείωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων ίδιου μεγέθους καθώς ελαττώνεται η διάμετρος τους. Σωματίδια διαφορετικού μεγέθους διαφοροποιούνται χημικά, ακόμη και στην ίδια περιοχή. Ταύτιση συμπεριφοράς μεταξύ της μάζας των αερολυμάτων και των χημικών στοιχείων που τη συνιστούν καθώς και των Πολυαρωματικών Υδρογονανθράκων με τον Άνθρακα, δε διαπιστώνεται. Ιδιαίτερα σημαντικός αποδεικνύεται ο ρόλος των πηγών στη διαμόρφωση της σωματιδιακής ρύπανσης. Ένας και μόνο σταθμός και/ή ένα και μόνο κλάσμα, καθίστανται ανεπαρκή για την κατανόηση και αποσαφήνιση του προβλήματος. Η μετεωρολογία επηρεάζει την ήδη διαμορφωμένη ποιότητα του αέρα από τις εκπομπές με τις ευνοϊκές ή μη συνθήκες μεταφοράς/διασποράς ρύπων αλλά και με την επίδραση των μετεωρολογικών παραμέτρων στην ατμοσφαιρική χημεία (ενίσχυση ή μη συστατικών σωματιδιακής μάζας). Έτσι, οι εκπομπές από τις σταθερές/κινητές πηγές παύουν να είναι καθαρά τοπικό φαινόμενο. Η γεωγραφική θέση του σταθμού στη Βαρυμπόμπη (στο φυσικό πέρασμα μεταξύ των βουνών Πάρνηθας και Πεντέλης) και οι μεγάλες δασικές εκτάσεις περιμετρικά αυτού τον καθιστούν τον πλέον επιβαρυμένο ως προς τα TSP και PM10, ειδικά την άνοιξη (ένταση φυσικών πηγών). Σημαντικά προβλήματα PM10 καταγράφονται και στο Θριάσιο Πεδίο. Όσον αφορά στα PM2.5 και PM1, τα προβλήματα εντοπίζονται κυρίως στο Βοτανικό. Το μεγάλο εύρος των χωροχρονικών διακυμάνσεων των σωματιδιακών λόγων υποδεικνύει την πολυπλοκότητα και ποικιλομορφία των πηγών. Αν και ο σχηματισμός δευτερογενών σωματιδίων υπερισχύει, ο ρόλος των χονδρόκοκκων δε μπορεί να θεωρηθεί αμελητέος. Τα PM1 βρέθηκαν σε κάθε περίπτωση να συνιστούν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας των ΡΜ2.5. Η μεταφορά, η καύση, τα οχήματα και τα θαλάσσια/κρυσταλλικά υλικά υποδεικνύονται από την Παραγοντική Ανάλυση ως οι πλέον καθοριστικοί παράγοντες διαμόρφωσης της ποιότητας του αέρα στο Λεκανοπέδιο με τα Θειικά ιόντα και τον Οργανικό Άνθρακα να αποτελούν, σε κάθε περίπτωση, τα κυριότερα συστατικά της μάζας των αερολυμάτων. Οι υψηλότερες τιμές Οργανικού Άνθρακα καταγράφονται, όπως και αναμένονταν, στον πλέον επιβαρυμένο σταθμό του Βοτανικού. Η ίδια συγκέντρωση των θειικών ιόντων στο Βοτανικό και τον Τούρλο υποδεικνύει τόσο την αλληλεπίδραση των αερίων μαζών μεταξύ των περιοχών του Λεκανοπεδίου όσο και φαινόμενα μεταφοράς μεγαλύτερης κλίμακας. Όσον αφορά στους Πολυαρωματικούς Υδρογονάνθρακες, αποτέλεσαν εξαιρετικά μικρό ποσοστό του Άνθρακα. Η Ιοντική Ισορροπία επιβεβαίωσε την, σε κάθε περίπτωση, επικράτηση του όξινου χαρακτήρα των αερολυμάτων στο Βοτανικό και την Αίγινα. Ιδιαίτερης σημασίας η αυξημένη οξύτητα των ΡΜ1 αλλά και η ενίσχυση της την άνοιξη. Τα υψηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης καταγράφονται, ως επί το πλείστον, την άνοιξη λόγω μεγαλύτερης έντασης των πηγών. Τα Θειικά ιόντα, όπως άλλωστε και αναμένονταν, παρουσιάζονται ενισχυμένα την καλοκαιρινή περίοδο υποδεικνύοντας την επίδραση της φωτοχημείας. Η κατηγοριοποίηση των πειραματικών ημερών ανάλογα με τα Συστήματα Πίεσης που επικράτησαν έδειξε ότι οι ημέρες με Ύφεση ευνόησαν τη συσσώρευση των ΡΜ10 και ΡΜ2.5-10 στις περισσότερες περιοχές, ενώ τα ΡΜ2.5 και ΡΜ1 ενισχύθηκαν τις ημέρες με Συνδυασμό Βαρομετρικού Χαμηλού-Υψηλού. Τα συστήματα Χαμηλών Πιέσεων βοήθησαν στην αύξηση της συνολικής συγκέντρωσης των Υδρογονανθράκων ενώ όσον αφορά στον Άνθρακα και τα Ιόντα ευνοήθηκαν τόσο τις ημέρες με Συνδυασμό Βαρομετρικού Χαμηλού-Υψηλού (Βοτανικό, Αίγινα) όσο και τις Αντικυκλωνικές (Πεντέλη). Σχετικά με την Aτμοσφαιρική Kυκλοφορία, ο Νότιος άνεμος ενισχύει τα επίπεδα των αερολυμάτων στις βορειότερες περιοχές του Λεκανοπεδίου ενώ ο Βόρειος στις νότιες. Οι τιμές του Άνθρακα και των Ιόντων παρουσιάζονται εξίσου αυξημένες τις ημέρες Θαλάσσιας Αύρας (Βοτανικός), Συνδυασμού Θαλάσσιας Αύρας και Βόρειου ανέμου (Πεντέλη) αλλά και καθαρού Βόρειου ανέμου (Αίγινα). Η Αριθμητική Προσομοίωση έδειξε την κατανομή τόσο των αερολυμάτων όσο και των συμβατικών ρύπων κατά μήκος του κεντρικού άξονα Β-Ν του Λεκανοπεδίου σε πλήρη συμφωνία με τον πειραματικό σχεδιασμό της δεύτερης Πειραματικής Μελέτης. Όπως αναμένονταν, οι άνεμοι Βόρειας διεύθυνσης βοήθησαν στη διασπορά των ρύπων εκτός Λεκανοπεδίου ενώ οι Νότιοι άνεμοι χαμηλής ταχύτητας οδήγησαν στη συσσώρευση αυτών.