Sources and physicochemical behavior of secondary particles in the atmosphere
Authors: Ακτύπης Ανδρέας 
Published: January 2025

Τα ατμοσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια (PM) ή αεροκολλοειδή (aerosol), είναι ο ατμοσφαιρικός ρύπος που έχει τις πιο δυσμενείς επιπτώσεις στην υγεία και αυξημένη θνησιμότητα. Ωστόσο, η απουσία τους θα μετέτρεπε τη Γη σε έναν τελείως διαφορετικό, και πιθανότατα αφιλόξενο, πλανήτη διότι αυτά είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία των νεφών. Η μελέτη των πηγών και της συμπεριφοράς των αερολυμάτων είναι κρίσιμη για την κατανόηση του ρόλου τους στην ανθρώπινη υγεία και την κλιματική αλλαγή. Σημαντική βελτίωση έχει γίνει τα τελευταία χρόνια στην κατανόηση των πηγών που εκπέμπουν απευθείας αυτά τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα. Αντίθετα, ο σχηματισμός τους από αντιδράσεις διαφόρων οργανικών ή ανόργανων αερίων (δευτερογενή σωματίδια) είναι λιγότερο κατανοητός, παρά τη σημαντική τους συνεισφορά στη συνολική συγκέντρωση του αριθμού και της μάζας τους στην ατμόσφαιρα. Οι δευτερογενείς πηγές σωματιδίων περιλαμβάνουν τον σχηματισμό νέων σωματιδίων μέσω πυρηνογένεσης (NPF) και τον σχηματισμό δευτερογενούς οργανικού (SOA) και ανόργανου αεροζόλ μέσω συμπύκνωσης. Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι να βελτιώσει την κατανόηση των πηγών του αριθμού και της μάζας δευτερογενών σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Έμφαση δίνεται στον σχηματισμό νέων σωματιδίων μέσω πυρηνογένεσης, μια σημαντική πηγή αριθμού σωματιδίων, και στις χωρικές του διακυμάνσεις στην Ελλάδα, καθώς και στο δευτερογενές οργανικό αεροζόλ (SOA), μια σημαντική πηγή μάζας σωματιδίων.Αρχικά διερευνήθηκαν η συχνότητα και τα χαρακτηριστικά των φαινομένων σχηματισμού νέων σωματιδίων στην Πάτρα για τα καλοκαίρια του 2020 και του 2021. Η περιοχή κατά την εξεταζόμενη περίοδο χαρακτηριζόταν από συνθήκες που ευνοούν την πυρηνογένεση. Ωστόσο, παρατηρήθηκε μια αρκετά χαμηλή συχνότητα πυρηνογένεσης και τα δύο καλοκαίρια, μόνο 12% (15 από τις 120 ημέρες). Το θειϊκό οξύ, το οποίο έχει συνδεθεί με αυτό το φαινόμενο, δεν φάνηκε να λείπει από την ατμόσφαιρα της Πάτρας. Η ανάλυση των αέριων μαζών κατά τη διάρκεια των λίγων περιόδων πυρηνογένεσης έδειξε πως αυτές περνούν αρκετή ώρα πάνω από αγροτικές περιοχές πριν φτάσουν στην Πάτρα. Οι εκπομπές αμμωνίας πάνω από αυτές τις περιοχές φαίνεται να βοηθούν τη δημιουργία νέων σωματιδίων, και η αμμωνία φαίνεται να ελέγχει σημαντικά το φαινόμενο στην Πάτρα. Παρόλο που ο σχηματισμός νέων σωματιδίων ήταν σπάνιος στην Πάτρα, παρατηρήθηκε ένα σημαντικό ποσοστό ημερών (31%), που συνήθως χαρακτηρίζεται ως «αδιευκρίνιστες». Η ανάλυσή μας έδειξε ότι τα σωματίδια που εμφανίζονταν αυτές τις μέρες, είχαν σχηματιστεί σε κάποια περιοχή περίπου 100-150 χλμ. βορειοανατολικά της Πάτρας, και μεταφέρθηκαν με τον αέρα μερικές ώρες αργότερα. Έγινε βελτίωση της υφιστάμενης μεθόδου ταξινόμησης, αντικαθιστώντας σε αρκετές περιπτώσεις τον όρο «αδιευκρίνιστο» με τον όρο «μεταφερόμενα γεγονότα πυρηνογένεσης» των οποίων τα χαρακτηριστικά μελετήθηκαν για πρώτη φορά στην Ελλάδα.Τα καλοκαίρια του 2020 και 2021 πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της κατανομής μεγέθους σωματιδίων σε 10 ακόμη περιοχές της Ελλάδας, στο πλαίσιο του έργου PANACEA. Οι περιοχές περιλάμβαναν την Αθήνα, τη Θεσσαλονίκη, την Πάτρα, τα Ιωάννινα, τη Θράκη, τη Λέσβο, τη Σίφνο, τη Φινοκαλιά, τα Χανιά, τη Μεθώνη και το όρος Χελμός. Παρατηρήθηκαν σημαντικές χωρικές διακυμάνσεις στη συχνότητα πυρηνογένεσης στην Ελλάδα, κάτι που δεν ήταν αναμενόμενο καθώς αυτά τα φαινόμενα συνήθως λαμβάνουν χώρα σε έκταση πολλών εκατοντάδων χιλιομέτρων. Η συχνότητα κυμαινόταν από σχεδόν μηδέν στα νοτιοδυτικά της χώρας έως και πάνω από 60% στις βόρειες, κεντρικές και ανατολικές περιοχές. Η έρευνα έδειξε ότι συχνότερες εκδηλώσεις πυρηνογένεσης συνέβαιναν στις περιοχές κοντά σε μεγάλες αγροτικές περιοχές και σε λιγνιτικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας, που εκλύουν σημαντικές ποσότητες NH3 και SO2, αντίστοιχα. Αντίθετα, τα φαινόμενα πυρηνογένεσης ήταν σπάνια σε περιοχές μακριά από πηγές αμμωνίας. Η αμμωνία (ή/και οι αμίνες που εκπέμπονται συνήθως μαζί με την αμμωνία) φάνηκε να είναι το συστατικό που ελέγχει την πυρηνογένεση σε πολλές περιοχές της Ελλάδας. Δύο επιπλέον καλοκαιρινές εκστρατείες πραγματοποιήθηκαν τον Ιούλιο του 2023 και τον Σεπτέμβριο του 2024 σε διάφορα μέρη της κεντρικής Ελλάδας για την κατανόηση της συχνότητας πυρηνογένεσης και της αέριας μεταφοράς των νέων σωματιδίων. Στην πρώτη, μετρήσεις έγιναν σε δύο τοποθεσίες στη Βοιωτία (Ελάτεια και Καμένα Βούρλα), στην Πάτρα και στην Αθήνα. Στη δεύτερη, οι μετρήσεις έγιναν στον Πόρο, ένα νησί του Σαρωνικού Κόλπου, και στην Αθήνα. Στην Ελάτεια, η πυρηνογένεση ήταν απροσδόκητα σπάνια (μόνο μια ημέρα). Τα λίγα μεταφερόμενα νέα σωματίδια που εμφανίστηκαν στην Πάτρα, συνέχισαν να σχετίζονται με αέριες μάζες προερχόμενες από τα βορειοανατολικά. Αυτό υποδεικνύει ότι το πιθανό σημείο πυρηνογένεσης βρισκόταν πιο κοντά, στον Κορινθιακό ή/και τον Σαρωνικό Κόλπο. Η μεταφορά σωματιδίων στην Ελάτεια από περιοχές στα βόρεια ήταν σχετικά συχνή (30%), ενώ σε τουλάχιστον τρεις περιπτώσεις τα σωματίδια αυτά εμφανίστηκαν και στην Αθήνα λίγες ώρες αργότερα. Στον Πόρο, τα μεταφερόμενα φαινόμενα πυρηνογένεσης ήταν συχνά (67% των ημερών). Αυτά, συνδέθηκαν με αέριες μάζες από τα βόρεια και βορειοδυτικά, που περνούσαν πάνω από τον Σαρωνικό Κόλπο. Πολλά γεγονότα NPF (6 από τα 14) στον Πόρο δεν εμφανίστηκαν επίσης στην Αθήνα, παρόλο που οι δύο τοποθεσίες απέχουν μόνο 60 χιλιόμετρα. Όταν τα σωματίδια εμφανίζονταν στην Αθήνα, συνδέονταν κυρίως με αέριες μάζες που είχαν περάσει κάποιο χρόνο πάνω από τον Σαρωνικό. Οι παρατηρήσεις υποδηλώνουν ότι ο Σαρωνικός Κόλπος μπορεί να είναι ένα σημαντικό σημείο σχετικά τοπικών φαινομένων πυρηνογένεσης (σε αποστάσεις λίγων δεκάδων χιλιομέτρων). Αυτό υποστηρίζεται και από το γεγονός ότι η ευρύτερη περιοχή αποτελεί σημαντική θαλάσσια διαδρομή και διαθέτει επίσης σημαντική βιομηχανική δραστηριότητα, με αποτέλεσμα να έχει αυξημένες συγκεντρώσεις SO2. Τέλος, η μελέτη εστίασε στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη παραγωγή δευτερογενούς οργανικού αεροζόλ (SOA) από την οξείδωση διαφόρων πτητικών οργανικών ενώσεων. Πολλές μελέτες έχουν διερευνήσει τη δυνατότητα σχηματισμού SOA από μεμονωμένες ενώσεις (είτε ανθρωπογενείς είτε βιογενείς) μέσω εργαστηριακών πειραμάτων, αλλά τα αποτελέσματά τους συχνά αποκλίνουν από την πραγματικότητα. Επιπλέον, υπάρχει δυσκολία στην κατανόηση της χημικής εξέλιξης των ήδη οξειδωμένων οργανικών σωματιδίων. Ένα καινοτόμο σύστημα διπλού θαλάμου διαταραχής της ατμόσφαιρας χρησιμοποιήθηκε σε δύο διαφορετικά περιβάλλοντα (ένα με έντονη ρύπανση και ένα δάσος) για να μελετηθεί η δυνατότητα του αντίστοιχου αέρα, να σχηματίζει δευτερογενή οργανικά και ανόργανα σωματίδια. Στο περιβάλλον με έντονη ρύπανση, ιδιαίτερα οξειδωμένα σωματίδια (ο λόγος O:C έφτασε το 1.05) παράχθηκαν γρήγορα (φτάνοντας τα 10 μg m-3 παραχθέντος SOA) σε όλα τα πειράματα εκτός από ένα. Αντίθετα, σε όλα τα πειράματα εκτός από ένα, δεν παρατηρήθηκε σχηματισμός SOA στο δάσος, υποδεικνύοντας ότι η χημεία σχηματισμού του, είχε ουσιαστικά ολοκληρωθεί πριν την έναρξη των περισσότερων πειραμάτων. Η μελέτη παρέχει νέες πληροφορίες για τα μεταγενέστερα στάδια σχηματισμού δευτερογενών σωματιδίων σε διαφορετικά περιβάλλοντα.