Μελέτη της επίδρασης φυσικών και ανθρωπογενών πηγών στη συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων PM10 και PM2.5 σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές
Authors: Μανούσακας Μανούσος-Ιωάννης 
Published: August 2021

Μελέτες αρκετών χρόνων έχουν δείξει ότι ο ελλαδικός χώρος είναι ένας χώρος στον οποίο υπάρχει έντονη σωματιδιακή ρύπανση. Τα επίπεδα της σωματιδιακής ρύπανσης σε ορισμένες περιοχές της Ελλάδας, είναι σε πολλές περιπτώσεις, δυσανάλογα υψηλά σε σχέση με το μέγεθος των ίδιων των περιοχών, αλλά και των πηγών που δρουν σε αυτές. Η γεωγραφική θέση, αλλά και οι μετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν στην Ελλάδα, παίζουν σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο αυτό, καθώς ευνοούνται φαινόμενα μεταφοράς και συσσώρευσης σωματιδιακών ρύπων. Για τους παραπάνω λόγους, η παρακολούθηση των επιπέδων συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων και η μελέτη των χαρακτηριστικών τους είναι πάντα επίκαιρη και ειδικά σε περιοχές με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Λόγω των αρνητικών επιδράσεων που έχουν τα αιωρούμενα σωματίδια στην ανθρώπινη υγεία, η Ε.Ε. έχει θεσπίσει όρια και επιτρεπτό αριθμό υπερβάσεών τους, με τα οποία τα κράτη μέλη της οφείλουν να συμμορφωθούν, γεγονός που επιβάλει τη χάραξη περιβαλλοντικής πολιτικής. Όμως, ο σχεδιασμός περιβαλλοντικής πολιτικής δεν είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί με τρόπο που να μπορεί να αποφέρει αποτελεσματικό περιορισμό της σωματιδιακής ρύπανσης, αν προηγουμένως δεν υπάρξει ταυτοποίηση των πηγών εκπομπής της. Βασικός σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η εκτίμηση των πηγών των αιωρούμενων σωματιδίων σε αστικό και βιομηχανικό περιβάλλον. Συγκεκριμένα, έγινε επιμερισμός πηγών στο χοντρόκοκκο κλάσμα (PM10) σωματιδίων στην πόλη της Μεγαλόπολης, του νομού Αρκαδίας και στο λεπτόκοκκο κλάσμα (PM2.5) στην πόλη της Πάτρας, του νομού Αχαΐας. Ο επιμερισμός των πηγών έγινε με τη χρήση δύο μοντέλων αποδέκτη, την Ανάλυση σε Κύριες Συνιστώσες (Principal Component Analysis, PCA) και την Παραγοντοποίηση θετικής μήτρας (Positive Matrix Factorization, PMF). Και οι δύο τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί ευρύτατα σε έρευνες για επιμερισμό πηγών σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι στοιχειακές αναλύσεις των δειγμάτων αιωρούμενων σωματιδίων, οι οποίες παρείχαν τα δεδομένα για την εφαρμογή των μοντέλων αποδέκτη, πραγματοποιήθηκαν με την πυρηνική τεχνική της Ανάλυσης με Δέσμη Ιόντων (Ion Beam Analysis) και συγκεκριμένα με την προκαλούμενη από σωματίδια εκπομπή ακτίνων-Χ (Particle Induced X-ray Emission, PIXE). Ένας αριθμός δειγμάτων PM10 από την περιοχή της Μεγαλόπολης αναλύθηκε με την πυρηνική τεχνική XRF (Χ-Ray Fluorescence).Σημαντικό τμήμα της Διατριβής αποτελεί ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης του υδατοδιαλυτού κλάσματος ενός αριθμού στοιχείων σε δείγματα ΡΜ2.5 από τις δύο πόλεις, με την τεχνική του Επαγωγικά Συζευγμένου Πλάσματος με Φασματομετρία Μάζας (Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy, ICP-MS), με στόχο την εκτίμηση της βιοδιαθεσιμότητά τους. Η εργασία έχει χωριστεί σε 3 μέρη: Θεωρητικό, Πειραματικό και Αποτελέσματα. Το Θεωρητικό Μέρος της διατριβής αποτελείται από 8 κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη ιστορική αναδρομή στο πρόβλημα της σωματιδιακής ρύπανσης. Στο Κεφάλαιο 2 εξετάζονται ο ορισμός και οι ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Τα Κεφάλαια 3 και 4 αναφέρονται στη δειγματοληψία των PM και συγκεκριμένα στη συλλογή τους σε φίλτρα και στους διαχωριστές μεγέθους των δειγματοληπτών. Το Κεφάλαιο 5 αναφέρεται στα είδη και συστατικά των αιωρούμενων σωματιδίων. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται οι επιδράσεις τους στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον, ενώ στο Κεφάλαιο 7 γίνεται συζήτηση για τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ταυτοποίηση των πηγών. Στο Κεφάλαιο 8, που είναι και το τελευταίο κεφάλαιο του Θεωρητικού Μέρους, παρουσιάζεται το πρόβλημα της σωματιδιακής ρύπανσης στην Ελλάδα με βάση αποτελέσματα προηγούμενων ερευνών και με έμφαση στις περιοχές μελέτης.Το Πειραματικό Μέρος της διατριβής περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 9-12. Στο Κεφάλαιο 9 γίνεται η περιγραφή των στόχων της εργασίας και ο τρόπος που προσεγγίστηκαν επιστημονικά. Το Κεφάλαιο 10 αναφέρεται στη συλλογή δειγμάτων και στις τοποθεσίας δειγματοληψίας, ενώ στο Κεφάλαιο 11 παρέχονται πληροφορίες που αφορούν στις στοιχειακές αναλύσεις. Στο Κεφάλαιο 12, που είναι και το τελευταίο κεφάλαιο του Πειραματικού Μέρους, γίνεται αξιολόγηση της αξιοπιστίας των τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν. Το τρίτος μέρος της διατριβής αφιερώνεται στην παρουσίαση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων και περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 13-20. Το Κεφάλαιο 13 αποτελεί την εισαγωγή στο πειραματικό μέρος και διευκρινίζει τον τρόπο παρουσίασης των αποτελεσμάτων. Το Κεφάλαιο 14 περιλαμβάνει την παρουσίαση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων PM2.5 στην Πάτρα, την περίοδο 2010-11. Η μέση συγκέντρωση των PM2.5 και BC προσδιορίστηκε ίση με 19,06 μg/m3 και 2,18 μg/m3, αντίστοιχα. Τα PM2.5 βρέθηκε ότι παρουσιάζουν ασθενή αρνητική, αλλά στατιστικά σημαντική συσχέτιση με την ταχύτητα του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 15 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων PM10 στην περιοχή της Πάτρας την περίοδο 2012-13. Η μέση συγκέντρωση των PM10 και BC την συγκεκριμένη περίοδο προσδιορίστηκε ίση με 32,96 μg/m3 και 2,24 μg/m3, αντίστοιχα. Η συγκέντρωση των PM10 το 2013, βρέθηκε κατά 20% μεγαλύτερη σε σχέση με τους κοινούς μήνες δειγματοληψίας του έτους 2012. Τα PM10 σχετίζονται θετικά, μέτρια αλλά στατιστικά σημαντικά με τον BC κατά τη θερμή περίοδο.Το Κεφάλαιο 16 περιλαμβάνει την παρουσίαση των μετρήσεων PM10, που έγιναν στην περιοχή της Μεγαλόπολης την περίοδο 2009-10. Η μέση συγκέντρωση των PM10 και BC τη συγκεκριμένη περίοδο προσδιορίστηκε ίση με 21,86 μg/m3 και 0,95 μg/m3, αντίστοιχα. Με βάση την εξέταση των συσχετίσεων της συγκέντρωσης των PM10 με μετεωρολογικά δεδομένα, υψηλές συγκεντρώσεις PM10 στην περιοχή φαίνεται πως ευνοούνται σε ξηρές συνθήκες. Στο Κεφάλαιο 17 παρουσιάζονται οι στοιχειακές αναλύσεις των δειγμάτων. Με την τεχνική XRF προσδιορίστηκε η συγκέντρωση 10 στοιχείων σε δείγματα που έχουν συλλεχτεί σε φίλτρα Teflon (K,Ca, Cu, Zn, As, Ti, Mn, Ni, Cr) και 8 στοιχείων σε δείγματα συλλεγμένα σε φίλτρα Quartz (κοινά με Teflon πλην των Ni και Cr) στην περιοχή της Μεγαλόπολης. Το Ca ήταν, με βάση τις μετρήσεις με την τεχνική XRF, το στοιχείο με την μεγαλύτερη μέση συγκέντρωση, ενώ τα στοιχεία με μεγαλύτερο παράγοντα εμπλουτισμού σε σχέση με την συγκέντρωσή τους στον φλοιό της Γης, βρέθηκαν πως είναι τα Cu και Zn. Με την τεχνική PIXE προσδιορίστηκε η συγκέντρωση 22 στοιχείων (Z=11-33), σε δείγματα PM10 από τη Μεγαλόπολη και PM2.5 από την Πάτρα. Τα στοιχεία με υψηλότερη συγκέντρωση με βάση τις αναλύσεις PIXE στην Πάτρα ήταν τα S, K και στη Μεγαλόπολη τα Si και S. Με τα δεδομένα που προέκυψαν από την τεχνική αυτή υπολογίστηκε το ποσοστό των στοιχείων του φλοιού τη Γης και των SO42– στα δείγματα PM. Βρέθηκε ότι τα PM10 της Μεγαλόπολης αποτελούνται κατά 23% από κύρια στοιχεία του φλοιού και 18% από SO42–, ενώ τα PM2.5 από 10% και 37%, αντίστοιχα. Στο Κεφάλαιο 18 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα επιμερισμού πηγών PM10 στη Μεγαλόπολη και PM2.5 στην Πάτρα με τη μέθοδο PCA, ενώ στο Κεφάλαιο 19 τα αποτελέσματα που προέκυψαν με τη μέθοδο PMF. Από τη μελέτη της ταυτοποίησης πηγών των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της Πάτρας προέκυψε ότι οι κυριότερες πηγές λεπτόκοκκων σωματιδίων είναι η καύση βιομάζας (3%), τα δευτερογενή ανόργανα σωματίδια (35%), η κίνηση οχημάτων (35%), το θαλάσσιο σπρέι (15%), η επαναιώρηση σκόνης εδάφους (5%) και οι εκπομπές των πλοίων (7%). Οι κυριότερες πηγές χοντρόκοκκων σωματιδίων στην πόλη της Μεγαλόπολης είναι η καύση βιομάζας (19%), η επαναιώρηση σκόνης εδάφους (33%), η επαναιώρηση σκόνης δρόμων (15%), η κίνηση (12%), το θαλάσσιο σπρέι (8%) και οι εκπομπές των εργοστασίων της ΔΕΗ (13%). Στο Κεφάλαιο 20 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσδιορισμού του ολικού και υδατοδιαλυτού κλάσματος των PM2.5 για τις δύο περιοχές. Οι μετρήσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν προκειμένου να εκτιμηθεί η επίδραση των λεπτόκοκκων σωματιδίων στην ανθρώπινη υγεία. Συνολικά, προσδιορίστηκε η συγκέντρωση 14 στοιχείων σε δείγματα PM2.5 για τις δύο πόλεις με ICP-MS. Στην Πάτρα μεγαλύτερη υδατοδιαλυτότητα είχε το Ni (65%) και στη Μεγαλόπολη το As (49%). Οι συγκεντρώσεις του Cd στην Πάτρα ξεπερνούν το όριο που έχει τεθεί από την ΕΕ. Στο Κεφάλαιο 21 παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα της διατριβής και πιθανοί μελλοντικοί στόχοι. Μέρος των αποτελεσμάτων των στοιχειακών αναλύσεων έχει δημοσιευτεί στα περιοδικά Aerosol and Air Quality Research και Science of the Total Environment,καθώς και στα συνέδρια MESAEP 2011, EMEC 2011 και στο European Aerosol Conference (EAC), 2012, PRE XII 2014, EXRS 2014 και BioPIXE 8 2014.