Innovative methods to retrieve PM concentrations using high spatiotemporal resolution data
Authors: Κοσμόπουλος Γεώργιος 
Published: July 2023

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την μελέτη και εξερεύνηση νέων και καινοτόμων τεχνικών μέτρησης της συγκέντρωσης και των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων (ΑΣ) σε διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούν έναν από τους πιο σημαντικούς ρύπους στην ατμόσφαιρα. Μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, τόσο χωρικής όσο και χρονικής, είναι πολύ σημαντικές για την μελέτη τους. Στην διατριβή θα μελετηθούν οι συγκεντρώσεις των ΑΣ καθώς και του AOD σε διάφορες πόλεις της Ελλάδος, με την χρήση χαμηλού κόστους αισθητήρων. Επιπλέον εξετάστηκε η αριθμητική συγκέντρωση των σωματιδίων σε τρείς διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας και της Ισπανίας.Είναι πολύ σημαντικό να εμπλουτήσουμε τις γνώσεις μας και τις πληροφοριες σχετικλα με τις βασικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων καθώς και των διάφορων διεργασιών τους στην ατμόσφαιρα. Επίσης η κατανομή του μεγέθους τους και η επίδραση που έχουν στην ανθρώπινη υγεία και το κλίμα χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Η χωρική ανάλυση των μετρήσεων σχετικά με τις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων είναι χαμηλή με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατό να εξεταστούν με ακρίβεια οι διακυμάνσεις και οι πηγές τους στην Ευρώπη, την Μεσόγειο και την Ελλάδα.Για την καλύτερη και βαθύτερη μελέτη των ΑΣ εγινε χρήση ενός οργάνου αναφοράς, αναλυτής Grimm, που παρέχει μετρήσεις συγκέντρωσης μάζας των σωματιδίων υψηλής ακρίβειας ενώ παράλληλα χρησιμοποιήθηκαν και χαμηλού κόστους αισθητήρες τόσο για την μέτρηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων (PAir) όσο και για την εκτίμηση του AOD (AMODv2).Η απόδοση και η ακρίβεια των χαμηλού κόστους αισθητήρων για την μέτρηση της συγκέντρωσης μάζας των σωματιδίων, αξιολογήθηκαν σε σύγκριση με το όργανο αναφοράς. Πραγματοποιήθηκε μια καμπάνια 18 μηνών στην ευρύτερη περιοχή της Πάτρας υπό διάφορες ατμοσφαιρικές (τα PM2.5 κυμάνθηκαν μεταξύ 0.1 και 95 μg m−3), μετεωρολογικές (θερμοκρασία μεταξύ 3 και 39 °C και σχετική υγρασία μεταξύ 9 και 97%). Οι χαμηλού κόστους αισθητήρες έδειξαν πολύ καλή συσχέτιση με τις μεταξύ τους διαφορές να είναι μικρότερες από 1.47 μg m−3. Επίσης οι μετρήσεις τους έδειξαν καλή συσχέτιση με το όργανο αναφοράς. Το σφάλμα τους όμως ήταν αυξημένο για περιόδους όπου υπήρχαν υψηλές συγκεντρώσεις χονδρόκοκκων σωματιδίων. Επομένως οι μετρήσεις κατά την διάρκεια αυτών των περιόδων δεν λήφθηκαν υπόψιν στην μετέπειτα ανάλυση. Για τα υπόλοιπα δεδομένα υπολογίστηκε ο συντελεστής βαθμονόμησης με την χρήση της μεθόδου γραμμικής παλινδρόμηση σε σχέση με το όργανο αναφοράς. Η εφαρμογή του παράγοντα διόρθωσης μείωσε την τιμή της ρίζας του μέσου τετραγωνικού σφάλματος στο 24.5% και το 24.6% για τα PM1 και PM2.5 αντίστοιχα. Εξετάστηκε επίσης η επίδραση την σχετικής υγρασίας στην ποιότητα των μετρήσεων η οποία όμως ήταν αμελητέα.Ενα πυκνό δίκτυο μέτρησης της ποιότητας του αέρα που αποτελείται από χαμηλού κόστους αισθητήρες παρέχει την δυνατότητα να εξετάζουμε τις ατμοσφαιρικές συνθήκες ακόμα και σε επίπεδο γειτονίας. Δεκαέξι αισθητήρες εγκαταστάθηκαν στην ευρύτερη περιοχή της Πάτρας, και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τριών χρόνων μετρήσεων. Εξήχθησαν πολύ σημαντικές πληροφορίες για την χωροχρονική μεταβολή της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων στην πόλη. Γενικά, ήταν η πρώτη φορά που ένα τόσο πυκνό δίκτυο εγκαταστάθηκε στην πόλη παρέχοντας αντιπροσωπευτικές μετρήσεις για την κάθε εξεταζόμενη περιοχή. Το γεγονός αυτό είναι πολύ σημαντικό για να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την έκθεση των πολιτών σε υψηλές συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων. Σχεδόν σε όλες τις εξεταζόμενες περιοχές εμφανίστηκε μια εποχιακή μεταβολή, με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις να καταγράφονται τον χειμώνα και χαμηλότερες το καλοκαίρι. Αυτό υποδηλώνει την επίδραση των εκπομπών λόγω της καύσης βιομάζας για την κάλυψη των αναγκών οικιακής θέρμανσης. Επιπροσθέτως, αυξημένες συγκεντρώσεις καταγράφηκαν σε περιοχές κοντά στο κέντρο της πόλης σε σχέση με τις περιαστικές περιοχές. Το πιο ενδιαφέρον στοιχείο είναι το γεγονός ότι η πιο επιβαρυμένη ήταν η περιοχή που βρισκόταν κοντά σε εστιατόρια, τονίζοντας την επίδραση των εκπομπών που σχετίζονται με το μαγείρεμα. Επίσης προσδιορίστηκε η συνεισφορά των τοπικών και μακρινών πηγών. Στις περιοχές του κέντρου της πόλης οι τοπικές πηγές αντιπροσώπευαν το 30% των συνολικών εκπομπών ενώ το υπόλοιπο 70% οφειλόταν σε αερομεταφερόμενα σωματίδια από άλλες περιοχές. Το ποσοστό αυτό μεταβλήθηκε κατά τη διάρκεια του έτους από 18% (Απρίλιο – Οκτώβριος) ως 52% (Νοέμβριος – Μάρτιος).Εξετάστηκαν επίσης οι συγκεντρώσεις PM2.5 σε τρεις Ελληνικές πόλεις. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε Καλαμάτα, Θέρμη και Αγρίνιο σε διάφορες χρονικές περιόδους και εξετάστηκαν οι χωρικές και χρονικές διακυμάνσεις. Σε όλες τις περιοχές τα επίπεδα ρύπανσης ήταν αυξημένα τον χειμώνα λόγω των εκπομπών από συσκευές θέρμανσης. Τα δεδομένα φανέρωσαν ότι οι χωρικές και χρονικές μεταβολές σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά του κάθε σταθμού. Οι διαφορές που εμφανίστηκαν μεταξύ γειτονικών σταθμών υποδεικνύει την ανάγκη για την αύξηση της χωρικής ανάλυσης των ήδη υπάρχοντών δικτύωνΗ αριθμητική συγκέντρωση των ΑΣ αποτελεί έναν πολύ σημαντικό παράγοντας που επηρεάζει τους αισθητήρες χαμηλού κόσοτυς. Μετρήσεις της αριθμητικής συγκέντρωσης των ΑΣ, για σωματίδια διαμέτρου από 0.3 έως 10 μm, πραγματοποιήθηκαν σε αστικές, περιαστικές και ημιερημικές περιοχές σε Ελλάδα και Ισπανία. Τα αποτελέσματα φανέρωσαν την επίδραση τόσο της φύσης όσο και το μεγέθους των σωματιδίων στην ακρίβεια των μετρήσεων. Στην αστική και περιαστική περιοχή (Πάτρα, Ελλάδα) οι μετρήσεις των χαμηλού κόστους αισθητήρων έδειξαν καλή συσχέτιση, με το όργανο αναφοράς, για σωματίδια διαμέτρου από 0.3 ως 1 μm. Παρόλα αυτά υπήρχε σημαντική υπερεκτίμηση της αριθμητικής συγκέντρωσης των μεγαλύτερων σωματιδίων (>1 μm). Στην ημιερημική περιοχή (Αλμερία, Ισπανία), υπήρξαν μεγαλύτερα σφάλματα στις μετρήσεις. Η ύπαρξη χονδρόκοκκων σωματιδίων στην συγκεκριμένη περιοχή ευθύνονται για τα αυξημένα σφάλματα, με τις αριθμητικές συγκεντρώσεις που κατέγραψαν οι χαμηλού κόστους αισθητήρες να είναι χαμηλότερες από τις αντίστοιχες του οργάνου αναφοράς. Γενικά οι μετρήσεις έδειξαν ότι η ύπαρξη χονδρόκοκκων σωματιδίων επηρεάζουν σημαντικά την ακρίβεια του οργάνου.Για την εκτίμηση των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων χρησιμοποιούνται επίγειες και δορυφορικές παρατηρήσεις. Οι επίγειές μετρήσεις παρέχουν υψηλής ακρίβειας δεδομένα, με περιορισμένη όμως χωρική ανάλυση. Από την άλλη οι δορυφορικές παρατηρήσεις έχουν μεγάλη χωρική ανάλυση αλλά αυξημένη αβεβαιότητα. Επομένως υπάρχει ανάγκη για επιπλέον τεχνικές μέτρησης που να αυξήσουν την ποιότητα των παρατηρήσεων. Επομένως εξετάστηκε η απόδοση ενός αισθητήρα που παρέχει ταυτόχρονες μετρήσεις της συγκέντρωσης των PM2.5 και AOD. Μια σειρά μετρήσεων πραγματοποιήθηκε στη Πάτρα και τη Θεσσαλονίκη σε μια προσπάθεια να διερευνηθούν οι δυνατότητες του συγκεκριμένου οργάνου, AMODv2. Ο συγκεκριμένος αισθητήρας παρέχει μετρήσεις σε υψηλή χρονική ανάλυση (κάθε 20 λεπτά). Τοποθετήθηκε πλάι από όργανα αναφοράς και τα αποτελέσματα των παράλληλων μετρήσεων μετρήσεις AOD σε τέσσερα μήκη κύματος, 440, 500, 675 and 870 δείχνουν καλή συμφωνία με τα όργανα αναφοράς (AERONET and Microtops) και στις δυο εξεταζόμενες περιοχές. Το όργανο χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα PMS 5003 για την μέτρηση των PM2.5, και οι καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις μάζας είχαν καλή συσχέτιση με όμοιους αισθητήρες. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τις δυνατότητες του AMODv2 να παρέχει υψηλής ποιότητας δεδομένα AOD and PM2.5 .