New particle formation (NPF) over the Eastern Mediterranean
Authors: Καλκαβούρας Παναγιώτης 
Published: May 2023

Τα φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων λαμβάνουν χώρα σε παγκόσμια κλίμακα, συμβάλλοντας σημαντικά (περίπου στο 50%) στα αριθμητικά επίπεδα των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, επηρεάζοντας σημαντικά το κλίμα, την ποιότητα του αέρα και την ανθρώπινη υγεία. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, μελετήθηκαν: i) οι συνθήκες κάτω από τις οποίες φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων παρατηρήθηκαν σε δύο διαφορετικά (αστικό έναντι ηπειρωτικού) περιβάλλοντα στην Ανατολική Μεσόγειο, ii) ο περιφερειακός τους χαρακτήρας αλλά και iii) η επίδρασή τους στους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών και στις συγκεντρώσεις νεφοσταγονιδίων. Επιπλέον, αναλύοντας πειραματικά δεδομένα αριθμητικής κατανομής μεγέθους σωματιδίων από ένα αστικό περιβάλλον της Ανατολικής Μεσογείου (Αθήνα), πραγματοποιήθηκε η ανίχνευση αλλά και η κατανομή πηγών των λεπτών σωματιδίων (σωματίδια με διάμετρο κάτω από 1 μm).Προκειμένου να εξακριβωθεί με σχετική ακρίβεια ο μηχανισμός σχηματισμού των νέων σωματιδίων, χρησιμοποιήθηκαν ταυτόχρονες μετρήσεις αριθμητικής κατανομής μεγέθους αντίστοιχου των λεπτών σωματιδίων, καλύπτοντας μια χρονική περίοδο 2 ετών, από το αστικό περιβάλλον της Αθήνας μέχρι την απομακρυσμένη τοποθεσία της Φινοκαλιάς στην Κρήτη. Οι δύο υπό μελέτη περιοχές απέχουν μεταξύ τους απόσταση περί τα 350 χλμ. Συμβάντα σχηματισμού νέων σωματιδίων παρατηρήθηκαν με συχνότητα 20% στις δύο υπό μελέτη τοποθεσίες, με τα φαινόμενα να λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της ημέρας, αναδεικνύοντας έτσι τον κρίσιμο ρόλο της φωτοχημικής δραστηριότητας. Αξίζει να σημειωθεί, ότι σε ποσοστό 5% των συνολικά εξεταζόμενων ημερών, φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων παρατηρήθηκαν σχεδόν ταυτόχρονα στην Αθήνα και στη Φινοκαλιά, όταν επικρατούσαν αέριες μάζες προερχόμενες από το βόρειο τομέα, υπογραμμίζοντας έτσι τον έντονο περιφερειακό χαρακτήρα που μπορεί να έχει ένα συμβάν σχηματισμού νέων σωματιδίων το οποίο εξελίσσεται στην ευρύτερη περιοχή του Αιγαίου. Σημαντικές ωστόσο για την ταυτόχρονη εμφάνιση τέτοιων φαινομένων είναι και : i) η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων SO_2, ii) η χαμηλή σχετική υγρασία, iii) οι μικρές αριθμητικές τιμές των δυναμικών παραμέτρων (ρυθμός σχηματισμού και ρυθμός ανάπτυξης) που χαρακτηρίζουν τα φαινόμενα αυτά, αλλά και iv) οι χαμηλες συγκεντρώσεις προϋπαρχόντων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα.Με τη χρήση επιπρόσθετων μετρήσεων αριθμητικής κατανομής μεγέθους λεπτών σωματιδίων, από μια αστική περιοχή στη Μέση Ανατολή (Αμμάν), κατορθώσαμε και μελετήσαμε εκ νέου τον περιφερειακό χαρακτήρα του μηχανισμού σχηματισμού νέων σωματιδίων στην Ανατολική Μεσόγειο και στη Μέση Ανατολή, σε τοποθεσίες που απέχουν αποστάσεις πάνω από 1.000 χλμ μεταξύ τους. Τέτοια συμβάντα μπορούν να εξελιχθούν σε μεγάλες αποστάσεις, αφού παρατηρήθηκαν ταυτόχρονες ημέρες φαινομένων σχηματισμού νέων σωματιδίων στην Αθήνα, στη Φινοκαλιά και στο Αμμάν. Όλα τα κοινά φαινόμενα έλαβαν χώρα υπό την παρουσία βόρειων αερίων μαζών, οι οποίες ταξιδεύοντας στην Ανατολική Μεσόγειο, εμπλουτίζονται με σημαντικές ποσότητες πρόδρομων ενώσεων, όπως το SO_2, οι οποίες λόγω της οξείδωσης ευνοούν περαιτέρω το μηχανισμό σχηματισμού νεών σωματιδίων αλλά και την ανάπτυξη των σωματιδίων αυτών.Προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση των γεγονότων σχηματισμού νέων σωματιδίων στους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών και στα νεφοσταγονίδια, αναλύθηκαν 7 χρόνια αριθμητικής κατανομής μεγέθους λεπτών σωματιδίων αλλά και πειραματικά δεδομένα της χημικής σύστασής τους από την απομακρυσμένη περιοχή της Φινοκαλιάς. Μια νέα μεθοδολογία εισήχθη, για την εκτίμηση με σχετική ακρίβεια της έναρξης και της χρονικής διάρκειας της επίδρασης των 162 καταγεγραμμενων συμβάντων σχηματισμού νέων σωματιδίων στους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών. Τα γεγονότα σχηματισμού νέων σωματιδίων αυξάνουν τις αριθμητικές συγκεντρώσεις των πυρήνων συμπύκνωσης νεφών σε ποσοστό 29% με 77% και όλα κατά τη διάρκεια του απογεύματος. Βασιζόμενοι στις αριθμητικές κατανομές μεγέθους των λεπτών σωματιδίων, στη χημική τους σύσταση και στην ταχύτητα ανύψωσης, υπολογίστηκαν οι αριθμητικές συγκεντρώσεις των νεφοσταγονιδίων, καθώς και η μέγιστη τιμή υπερκορεσμού (s_max) που επικρατεί στα νέφη. Η επίδραση των νέων σωματιδίων στο πλήθος των νεφοσταγονιδίων είναι μικρότερη συγκριτικά με την επίδρασή τους στο πλήθος των πυρήνων συμπύκνωσης νεφών, αφού κυμαίνεται μεταξύ 7 - 13%, μεταβαίνοντας από χαμηλότερες (0,3 m s^(-1)) σε υψηλότερες (=0,6 m s^(-1)) ταχύτητες ανύψωσης. Tα γεγονότα σχηματισμού νέων σωματιδίων αφήνουν σχεδόν ανέγγιχτο το πλήθος των νεφοσταγονιδίων και τις μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών. Η παραπάνω διαφορετική «συμπεριφορά» μεταξύ πυρήνων συμπύκνωσης νεφών και νεφοσταγονιδίων οφείλεται στα διαφορετικά επίπεδα υπερκορεσμού. Ο «ανταγωνισμός» για υδρατμούς αυξάνεται υπό την παρουσία μεγάλου αριθμού πυρήνων συμπύκνωσης νεφών, καταστέλλοντας παράλληλα το σχηματισμό νεφοσταγονιδίων, αφού μειώνεται σημαντικά ο μέγιστος υπερκορεσμός. Το χαρακτηριστικό αυτό εμποδίζει σημαντικά την επίδραση των γεγονότων σχηματισμού νέων σωματιδίων στα νεφοσταγονίδια, καθιστώντας την όποια συμβολή τους ανιχνεύσιμη κυρίως κατά τη διάρκεια της νύχτας.Στις αστικές περιοχές τα φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων θεωρούνται από τις σημαντικότερες πηγές των υπέρλεπτων σωματιδίων (σωματίδια με διάμετρο κάτω από 100 nm), τα οποία προκαλούν σοβαρές και επώδυνες επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Με την εφαρμογή στατιστικών εργαλείων (k-means cluster analysis και Positive Matrix Factorization, PMF) στις μετρήσεις αριθμητικής κατανομής μεγέθους λεπτών σωματιδίων, μελετήθηκαν οι πηγές και η χρονική μεταβλητότητα των υπέρλεπτων σωματιδίων για δύο τυπικές εποχιακές περιόδους (καλοκαίρι vs. χειμώνας), καθώς και κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου της καραντίνας. Από την εφαρμογή της k-means cluster analysis, εντοπίστηκαν 5 κοινές πηγές για όλες τις υπό μελέτη χρονικές περιόδους, οι οποίες συνδέονται με: i)την άμεση ii) την έμμεση κυκλοφορία των οχημάτων, iii) τα γεγονότα σχηματισμού νέων σωματιδίων, iv) τα αερολύματα αστικού υποβάθρου και v) τα μεταφερόμενα αερολύματα προς το κέντρο της Αθήνας, ενώ παρατηρήθηκαν και δύο επιπλέον πηγές που σχετίζονται με τη νυχτερινή ανθρωπογενή δραστηριότητα. Στην περίπτωση της θερμής περιόδου η πηγή αυτή συνδέεται με δραστηριότητες αναψυχής, ενώ κατά τις ψυχρές περιόδους η αντίστοιχη πηγή κατά τη διάρκεια της νύχτας συνδέεται με την καύση βιομάζας. Με το στατιστικό μοντέλο PMF εντοπίστηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν οι σημαντικότερες πηγές που συμβάλλουν στις αριθμητικές συγκεντρώσεις των λεπτών σωματιδίων, οι οποίες σχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με τις αντίστοιχες πηγές που εξήχθησαν από την k-means cluster analysis. Κατά τη θερμή περίοδο, η συμβολή των τοπικών πηγών στα μέσα αριθμητικά επίπεδα των λεπτών σωματιδίων ήταν συγκρίσιμη με εκείνη των δευτερογενών διεργασιών (π.χ. περιφερειακές μεταφορές, υπόβαθρο περιοχής, ατμοσφαιρική πυρηνοποίηση) (40% vs. 60%, αντίστοιχα). Ωστόσο,η συνεισφορά από τις τοπικές πηγές ενισχύθηκε σημαντικά (13% vs. 87%) κατά την ψυχρή περίοδο εξαιτίας της καύσης βιομάζας για τη θέρμανση των κατοικιών.