Afet bölgesinde yer alan kentlerde PM10 ve SO2 düzeylerindeki değişimlerin incelenmesi
Analysis of changes in PM10 and SO2 levels of cities in the disaster area of Turkiye
Yazar: ALİ OZAN KURUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEYHAN KAHYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Meteoroloji = Meteorology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Atmosferik kirleticiler = Atmospheric pollution ; Hava kirleticiler = Air pollutants ; Hava kirliliği = Air pollution ; İstatistiksel analiz = Statistical analysis

Özet:
Hava, yaşamın sürdürülebilmesi için gereken temel parametrelerden biridir. Sağlıklı bir yaşam için ise, hava kalitesinin de sağlıklı bir aralıkta bulunması oldukça önemlidir. Hava kirliliği; doğa veya insan kaynaklı salınımlar sonucu, atmosferde bulunan kirleticilerin belirli seviyeleri aşması ve uygun meteorolojik koşullar altında canlı ve cansız varlıklar üzerinde olumsuz etkilere neden olması olarak tanımlanmaktadır. Kirletici seviyelerinin atmosferde belirli eşik değerleri aşması sonucu yaşam alanları ile toplumsal alanların hava kalitesi düşmektedir. İngiltere'de temelleri atılan endüstriyel devrim, sonrasında Avrupa kıtasında, Amerika ve Japonya'da etkilerini göstermiş ve buharlı makineler kullanılarak sürdürülen endüstriyel üretimler sonraki süreçte birçok ülke tarafından kullanılmaya başlamıştır. Hava kalitesi ve hava kirliliği üzerinde bir dönüm noktası olan sanayileşme, beraberinde istihdam olanaklarını ve dolayısıyla ekonomik kalkınmayı getirmiştir. İnsanların istihdam olanakların daha yüksek olduğu sanayi kentlerine göç etmesi, hızlı nüfus artışlarının önünü açmış, nüfus artışlarıyla beraber hanelerde evsel ısınma ihtiyacı sonucu kullanılan fosil yakıt ürünleri miktarı artış göstermiş ve bireysel motorlu taşıt kullanım oranı artmıştır. Sanayi devrimi ve sonrasında gelişen süreç, hava kirliliğine etki eden antropojenik sebepler arasında yer alırken, orman yangınları, volkanik faaliyetler, çöl tozları, depremler ve benzeri birtakım doğal döngüler de atmosfere birtakım kirleticilerin salınmasına yol açarak hava kirliliği üzerine etki edebilen doğal süreçlerin başında gelmektedir. Ayrıca, kirleticilerin bir bölgeden başka bir bölgeye taşınmasında, bir yerleşim bölgesi üzerinde askıda kalmasında rüzgar, basınç ve enverziyon sahaları gibi birtakım meteorolojik parametrelerin de etkisi olduğu bilinmektedir. Dolayısıyla tüm bu süreçlerin neticesinde, atmosfere salınan kirletici parametrelerin emisyon kaynakları birçok farklı alanda çeşitlilik arz etmiş, zaman içerisinde hava kirliliği üzerine tartışmalar ve yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Hükümetler ve birçok sivil toplum kuruluşu tarafından hava kalitesinin iyileştirilmesine yönelik adımlar atılmaya başlanmış, yapılan uluslararası antlaşmalar, mutabakat ve protokoller ile birçok ülke kirletici emisyonlarının azaltılmasına yönelik metinlerin altına imza atmıştır. Ayrıca, hava kalitesinin sağlıklı olduğu aralıktan tehlikeli seviyelere ulaştığı aralığa kadar farklı renk tonlarıyla ifade edildiği ve renk tonlarının karşılık geldiği hassas grupları ifade eden Hava Kalitesi İndeksi (HKİ) oluşturulmuştur.
Partikül madde (PM10) ve kükürt dioksit (SO2) de antropojenik ve doğal süreçlerin sonunda atmosfere salınan birincil hava kirleticilerinin başında yer almaktadır. Bu çalışmada da, çapı 10 μm'den küçük olan partikül madde (PM10) ve kükürt dioksit (SO2) parametrelerinin 06.02.2023 tarihli Kahramanmaraş merkezli 7.7 ve 7.6 büyüklüğündeki depremlerden sonra "Genel Hayata Etkili Afet Bölgesi" olarak ilan edilen kentlerdeki dağılımları incelenmiştir. Kirletici verileri 01.12.2018 ile 29.02.2024 tarih aralıkları için elde edilerek, deprem dönemindeki dağılımlarının yanı sıra her iki kirleticinin de Covid-19 pandemisi öncesinde dağılımları ile pandemi dönemindeki dağılımları da ortaya konmaya çalışılmıştır. Kirletici verileri Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Ulusal Hava Kalitesi İzleme Ağı veritabanından belirtilen tarihler için elde edilmiş ve sonrasında 01.12.2018 ile 29.02.2020 tarihleri arası pandemiden önceki dönemi, 01.03.2020 ile 30.11.2022 tarihleri arası kentlerde pandemi dönemini, 01.12.2022 29.02.2024 tarihleri arası ise Kahramanmaraş merkezli depremler ve sonrasındaki süreci temsil etmek üzere üç farklı alt periyoda ayrılmıştır. Elde edilen veriler incelenmiş, belirlenen eksik veriler ise SPSS İstatistik programında uygun kayıp veri atama yöntemleri kullanılarak giderilmiştir. Ardından kirleticilerin çalışma alanı içerisindeki tüm istasyonlarda belirlenen üç farklı dönem için mevsimsel olarak zaman serisi çıktıları elde edilmiştir. Çalışma alanı içerisindeki 10 kentte yer alan 14 hava kirliliği ölçüm istasyonunda elde edilen zaman serileri ile kirletici parametrelerin belirlenen üç farklı dönem içerisindeki dağılımları incelenmiş ve yorumlanmıştır. Kirletici parametrelerin istasyon çevresindeki dağılımlarının belirlenmesinin yanı sıra, bu dönemlerde PM10 bağımsız değişken, SO2 ise bağımlı değişken olarak seçilerek %95 güven aralığı için basit doğrusal regresyon modeli kurulmuş, hesaplamalar sonucunda elde edilen korelasyon katsayıları, determinasyon katsayıları ve kurulan modelin anlamlılığını ifade eden p değerleri yorumlanarak aralarındaki ilişki tespit edilmiştir. Son aşamada ise, istasyonlarda ölçümleri yapılan kirletici parametrelerin çalışma periyodundaki üç farklı ana dönem için hesaplamalar neticesinde elde edilen mevsimsel ortalama konsantrasyon değerleri ile limit değer aşım sayıları birbirleri ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. 
Çalışmada yapılan mevsimsel analizler sonrasında elde edilen sonuçlara göre, partikül madde seviyelerinin özellikle Elbistan, Osmaniye, Malatya, Meteoroloji istasyonlarında yüksek seviyelerde seyrettiği belirlenmiştir. Belirtilen istasyonlar kış, ilkbahar, yaz ve sonbahar mevsimlerine yönelik incelemelerde yaz mevsimlerine doğru kirletici konsantrasyonları kademeli olarak düşüşe geçmiş olsa da, çalışma alanı içerisindeki istasyonlar arasında en yüksek partikül madde seviyelerinin gözlemlendiği ve limit değer aşımlarının en çok yaşandığı istasyonlar olarak öne çıkmıştır. Farklı dönemlerde yapılan ölçümlerde ise Çatalan, Diyarbakır, Doğankent, Adıyaman ve Elazığ istasyonları partikül madde seviyelerinin en düşük seyrettiği ve bu anlamda hava kalitesinin daha iyi olduğu istasyonlar olarak belirlenmiştir. Kükürt dioksit ölçümleri ile yapılan mevsimsel analizler sonucunda ise, kirletici seviyelerinin en yüksek seyrettiği istasyonlar Şanlıurfa ve Onikişubat istasyonları başta olmak üzere Elbistan, Osmaniye ve Malatya olarak belirlenmiştir. Küküt dioksit seviyelerinde limit değer aşımı partikül maddeye kıyasla oldukça az sayıda gerçekleşmiş ve partikül madde incelemelerinde karşılaşıldığı gibi, yaz mevsimlerinde en düşük konsantrasyonların ölçüldüğü, kış mevsiminin ise en yüksek kirletici seviyelerinin kaydedildiği belirlenmiştir. Kükürt dioksit seviyelerinin en düşük seyrettiği istasyonların ise Çatalan, Elazığ, Adıyaman, Diyarbakır olduğu belirlenmiştir. Belirtilen istasyonlar bu yönüyle her iki kirleticide de en düşük konsantrasyonlara sahip istasyonlar olarak dikkat çekmiştir. Kirleticiler arasında mevsimsel olarak her bir dönem için kurulan basit doğrusal regresyon modeline göre, kış ve sonbahar aylarında kirleticiler arasındaki doğrusal ilişkinin daha güçlü olduğu, dolayısıyla bu dönemlerde kirletici ölçüm değerlerinin birbiriyle paralellik gösterdiği belirlenirken, ilkbahar ve yaz aylarında kirleticiler arasındaki korelasyon katsayıları ile determinasyon katsayılarının daha düşük seviyelerde seyrettiği görülmüştür. Zaman serilerine göre, pandemi sürecinin ilk aylarında ve depremlerden sonra yaşanan ilk haftalarda bazı istasyonlarda kirletici konsantrasyonlarında ciddi dalgalanmalar tespit edilmiştir. 
Çalışmada alanı olarak ele alınan bölgede yoğun nüfusu ile dikkat çeken kentlerin varlığı, çevresinde büyük ölçekli sanayi kuruluşları olan istasyonların bulunması, bazı istasyonların, çevresindeki trafik kaynaklı kirletici emisyonlarına açık bir alan üzerinde kurulu olması ve benzer şekilde yoğun nüfuslu ilçe çevrelerinde bulunan istasyonların evsel ısınmada kullanılan fosil yakıtlar sonucu atmosfere salınan kirletici emisyonlarına yoğun şekilde maruz kalması, termik santral gibi çevre ve insan için birçok olumsuz etkisi bulunan güç santrallerinin varlığı, pandemi dönemi başlangıcı ile gelen süreçten sonra dönem dönem tam kapanma ve kademeli olarak normale dönme adımlarının bir yansıması olarak evsel ısınmaya olan talebin, trafik kaynaklı emisyonların iniş çıkışlar göstermesi, ardından yaşanan büyük depremlerle yine bölgedeki kirletici emisyonlarının artışa geçmesi, ele alınan çalışma alanının, Türkiye'de toz taşınımının sık görüldüğü bir coğrafi bölgede yer alması gibi kirletici seviyelerini etkilemesi beklenen faktörler, çalışma sonuçlarına büyük ölçüde yansımıştır.

Abstract:
Air is one of the basic parameters required to sustain life. Having air quality within a healthy range is very important for human health, especially for the respiratory system. Air pollution is defined as the phenomenon in which pollutants in the atmosphere exceed certain levels as a result of natural or human-induced emissions under appropriate meteorological conditions and have negative effects on living and non-living entities. As a result of pollutant levels exceeding certain threshold values in the atmosphere, air quality decreases and inhaled air becomes a direct threat to human health. The industrial revolution, whose foundations were laid in England, later showed its effects in the European continent, America and Japan, and industrial production using steam machines began to be used by many countries in the following period. Industrialization, which is a turning point on air quality and air pollution, has brought employment opportunities and therefore economic development. The migration of people from rural areas, where urbanization is at lower levels, to industrial cities, where employment opportunities are higher, has paved the way for rapid population increases. With population growth, the amount of fossil fuel products used in households as a result of heating needs has increased, and the rate of individual motor vehicle usage has increased, especially in recent years. While the industrial revolution and the process that developed afterwards are among the anthropogenic causes affecting air pollution, forest fires, volcanic activities, desert dust, earthquakes and some similar natural cycles are among the natural processes that can affect air pollution by causing the release of some pollutants into the atmosphere. In addition, it is known that some meteorological parameters such as wind, pressure and inversion areas have an impact on the transport of pollutants from one region to another and their stay in a residential area for long days. Therefore, as a result of all these processes, the emission sources of pollutant parameters released into the atmosphere vary in many different areas. After it was revealed that air pollution has a direct relationship with human health, especially in the last century, discussions and studies on air pollution have increased rapidly over time. Therefore, steps have begun to be taken by governments and many non-governmental organizations to improve air quality, and many countries have signed international agreements, understandings and protocols and texts aimed at reducing pollutant emissions. In addition, the Air Quality Index (AQI) was created, where air quality is expressed in different color tones, from the range where it is healthy to the range where it reaches dangerous levels, and expresses the sensitive groups to which the color tones correspond.
Particulate matter (PM10) and sulfur dioxide (SO2) are among the primary air pollutants released into the atmosphere as a result of anthropogenic and natural processes. In this study, the distribution of particulate matter with a diameter of less than 10 μm and sulfur dioxide (SO2) parameters cities in Turkey declared as "disaster areas affecting life in general" by the state were examined. In this study, the distribution of particulate matter with a diameter of less than 10 μm and sulfur dioxide parameters was examined in the cities that were widely affected by the earthquakes that occurred on 06.02.2023 in Turkey and whose epicenter was Kahramanmaraş. Cities affected by earthquakes were declared as "Disaster Areas with General Impact on Life" and were placed under a state of emergency for a while. With the period covered in the study, it was tried to reveal the pollutant distributions before the Covid-19 pandemic process, the pollutant distributions during the pandemic process and the change in pollutant levels in cities after the earthquakes. In this context, pollutant data was obtained for the date ranges 01.12.2018 and 29.02.2024 and emission distributions were examined for all three periods. For this purpose, the period between 01.12.2018 and 29.02.2020 was determined to represent the period before the pandemic, the period between 01.03.2020 and 30.11.2022 was determined to represent the pandemic process, and the period between 01.12.2022 and 29.02.2024 was determined to represent the period after the earthquake and thus, the analyzes were divided into three different sub-periods. The study was carried out using data obtained from a total of 14 different air pollution measurement stations in 10 cities that were widely affected by the earthquake and located within the disaster area. The data obtained from the stations were reviewed, and the data determined to be missing were eliminated by using appropriate missing data imputation methods in the SPSS Statistics program. Then, seasonal time series outputs of the two pollutant parameters at all stations within the study area for three different periods were obtained. The time series obtained from 14 air pollution measurement stations in 10 cities within the study area and the distribution of pollutant parameters in three different periods were examined and interpreted. In addition to determining the distribution of pollutant parameters around the stations in the study area, a simple linear regression model was established for a 95% confidence interval by selecting PM10 as the independent variable and SO2 as the dependent variable in order to determine the relationship between pollutants in these periods. The correlation coefficients and determination coefficients obtained as a result of the calculations were examined and interpreted, and it was decided whether there was a statistically significant difference between pollutants in different periods by using p values expressing the significance of the established model. In the final stage, the seasonal average concentration values and limit value exceedances obtained as a result of calculations for the three different sub-periods of the pollutant parameters measured at the stations were analyzed and compared with each other.
According to the results obtained after the seasonal analysis in the study, it was determined that particulate matter levels were at high levels, especially in Elbistan, Osmaniye, Malatya and Meteorology stations. In the examinations for the winter, spring, summer and autumn seasons, the mentioned stations stood out as the stations where the highest particulate matter levels were observed and limit value exceedances occurred most among the stations within the study area, although pollutant concentrations gradually decreased towards the summer seasons. In the analyzes carried out in different periods, Çatalan, Diyarbakır, Doğankent, Adıyaman and Elazığ stations were determined as the stations with the lowest particulate matter levels and, in this sense, better air quality. One of the main reasons why Çatalan station has been observed as the station with the lowest pollutant levels in many periods is related to the fact that the area where the stations are installed is mostly far from the city center and isolated from traffic and heating-related emissions. In addition, the fact that the station is built on a green area next to the dam is one of the factors that contribute to the low level of pollutant emissions. As a result of seasonal analyzes made with sulfur dioxide measurements, it was determined that Şanlıurfa and Onikişubat were the stations with the highest pollutant levels, and pollutant levels were also high in Elbistan, Osmaniye and Malatya stations. The national limit value exceedances in sulfur dioxide levels occurred very rarely compared to particulate matter, and as encountered in particulate matter analyzes, it was determined that the lowest concentrations were measured in summer and the highest pollutant levels were recorded in winter. It was noted that the stations with the lowest sulfur dioxide levels were Çatalan, Elazığ, Adıyaman and Diyarbakır. In this respect, the mentioned stations attracted attention as the stations with the lowest concentrations of both pollutants. According to the simple linear regression model established between pollutants for each seasonal period, it was determined that the linear relationship between pollutants was stronger in winter and autumn months, and therefore pollutant measurement values were parallel to each other in these periods. According to the results obtained in the simple linear regression model, were at lower levels, unlike the winter and autumn months, in the spring and summer months, the correlation coefficients and determination coefficients calculated between the pollutants. Therefore, pollutants showed different trends, especially in spring and summer, and the linear relationship between them remained at a weaker level. According to seasonal time series, serious fluctuations in pollutant concentrations were detected in some stations in the first months of the pandemic process and in the first weeks after the earthquakes. 
The existence of cities that stand out with their dense population in the region considered as the study area, the presence of stations with large-scale industrial establishments around them, and the fact that some stations are located on an area open to pollutant emissions originating from the surrounding traffic have come to the fore as parameters affecting the study results. Similarly, the intense exposure of stations located in densely populated district environments to pollutant emissions released into the atmosphere as a result of fossil fuels used for heating, and the presence of power plants such as thermal power plants, which have many negative effects on the environment and people, have been determined as the main factors affecting particulate matter and sulfur dioxide levels in the region. After the beginning of the pandemic period, as a natural result of people spending most of their time at home in certain periods and gradually taking steps to return to normal, the demand for household heating and number of vehicles in traffic fluctuated widely. Therefore, this situation was determined as one of the effects that caused wide variability in pollutant concentrations during the pandemic period in the region. Afterwards, factors expected to affect pollutant levels, such as the increase in pollutant emissions in the region due to major earthquakes and the fact that the study area is located in a geographical region where dust transport is common in Türkiye, greatly affected the study results.