Προσομοιώσεις πεδίου ροής και πεδίου συγκέντρωσης ρύπων στην ατμόσφαιρα
Authors: Χαμπηλομάτης Γεώργιος 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη προσομοιώσεων πεδίου ροής και πεδίου συγκέντρωσης ρύπων στην ατμόσφαιρα. Η τελική στόχευση είναι ο υπολογισμός πεδίου συγκεντρώσεων υπέρλεπτων σωματιδίων (UFP), με εργαλεία υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), μέσα σε ένα αστικό οδικό φαράγγι, ένα περιβάλλον με υψηλή έκθεση πληθυσμού σε αέρια ρύπανση. Τα υπέρλεπτα σωματίδια που αποτελούν «αιχμή έρευνας» στην επιστήμη των αερολυμάτων, θεωρούνται ως το σωματιδιακό κλάσμα με τις σοβαρότερες αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία. Το κύριο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής στηρίζεται στη μεσοσκοπική μέθοδο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) lattice Boltzmann. Ένα ειδικά σχεδιασμένο για τις ανάγκες της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας μοντέλο lattice Boltzmann αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε. Κατά την αξιολόγηση του μοντέλου προέκυψε ότι τα πεδία ροής και τα πεδία συγκέντρωσης UFP μέσα σε ένα αστικό οδικό φαράγγι είναι σε συμφωνία με άλλες ερευνητικές προσπάθειες. Επιπλέον αξιοποιήθηκαν μετρήσεις πεδίου UFP στο συγκεκριμένο μικροπεριβάλλον, τόσο για την αξιολόγηση της απόδοσης του μοντέλου όσο και για τον υπολογισμό των ρυθμών εκπομπής UFP από οχήματα (απαραίτητων ως δεδομένα εισόδου του μοντέλου). Διαπιστώθηκε η ικανοποιητική αξιοπιστία και η καταλληλότητα του για την επιτυχή προσομοίωση του φαινομένου, με σχετικά μικρή απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ.Η συγκεκριμένη διατριβή αποτελεί μία πρώτη προσπάθεια, σε ερευνητικό επίπεδο, ανάπτυξης και εφαρμογής της μεθόδου lattice Boltzmann για την προσομοίωση πεδίου συγκέντρωσης ατμοσφαιρικών ρύπων και ειδικότερα υπέρλεπτων σωματιδίων. Τα αποτελέσματα των πλέον πρόσφατων μελετών που αφορούν στην επικινδυνότητα των υπέρλεπτων σωματιδίων, προσανατολίζουν την όλη προσπάθεια στην περαιτέρω μελέτη της σχέσης μεταξύ εκπομπών UFP από οχήματα και της εισπνοής τους από διάφορες υποομάδες πληθυσμού. Κρίθηκε αναγκαία η χρήση της παραμέτρου iF (κλάσμα εισπνοής) για τον υπολογισμό του κλάσματος ενός ατμοσφαιρικού ρύπου που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα από μία συγκεκριμένη πηγή, και που τελικά εισπνέεται από μία υποομάδα πληθυσμού σε ένα συγκεκριμένο μικροπεριβάλλον. Η εκτίμηση της έκθεσης υποομάδων πληθυσμού στην ατμοσφαιρική ρύπανση, απλά σε επίπεδα συγκέντρωσης ρύπων στην ατμόσφαιρα, αποτελεί πλέον μία ξεπερασμένη και ατελέσφορη προσέγγιση. Η εφαρμογή τη σύγχρονης παραμέτρου iF (intake fraction) αποτελεί το αρχικό στάδιο μελέτης της όλης δοσιμετρίας (source-to-dose relationships) ενός σωματιδιακού ρύπου στον ανθρώπινο οργανισμό, για την εκτίμηση πιθανών αρνητικών επιπτώσεων στην υγεία (source-to-health effects). Η χρήση τη σε επίπεδο αστικού περιβάλλοντος μικρής κλίμακας όπως ένα οδικό φαράγγι είναι περιορισμένη. Τα απαιτούμενα πεδία συγκέντρωσης υπέρλεπτων σωματιδίων μέσα στο οδικό φαράγγι, για τον υπολογισμό των τιμών της παραμέτρου iF για διαφορετικές υποομάδες πληθυσμού, προέκυψαν από μία πρώτη δημοσιευμένη εφαρμογή κατάλληλου τρισδιάστατου μοντέλου CFD. Τα αποτελέσματα εφαρμογής της μεθόδου iF αναδεικνύουν την χρησιμότητα της α) σε θέματα εκτίμησης έκθεσης διαφορετικών υποομάδων πληθυσμού, μέσα σε ένα συγκεκριμένο μικροπεριβάλλον με υψηλές συγκεντρώσεις ατμοσφαιρικών ρύπων β) στον κατά προτεραιότητα προσδιορισμό της πηγής με την μεγαλύτερη συμβολή στην έκθεση πληθυσμού γ) στην ανάδειξη της σοβαρότητας θεμάτων περιβαλλοντικής δικαιοσύνης σε σχέση με την έκθεση σε ατμοσφαιρική ρύπανση. Αποτελεί ένα ολοκληρωμένο εργαλείο για τον επιτυχή σχεδιασμό πολιτικών μείωσης εκπομπών αέριας ρύπανσης και αποτελεσματικής προστασίας της δημόσιας υγείας