Kentsel ortam partikül madde kirliliği üzerinde, deniz aerosolü etkisinin araştırılması: İstanbul örneği
Investigation of the effects of marine aerosol on the particulate matter pollution in urban atmosphere: A case study in Istanbul
Yazar: NİHAN UYGUR
Danışman: DOÇ. DR. ARSLAN SARAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Aerosoller = Aerosols ; Deniz kirliliği = Marine pollution ; Deniz kıyıları = Sea coasts ; Hava kirliliği = Air pollution

Özet:
Nisan 2011-Ekim 2011 tarihleri arasında yapılan bu çalışmada, İstanbul'un her iki yakasında kıyı ve iç bölgelerde, atmosferik aerosollerdeki deniz aerosolü etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Bir aylık periyotlarla ASTM-G140 Wet Candle (Islak Fitil) yöntemiyle toplanan aerosol örneklerinde iyon ve iz element konsantrasyonları incelenmiştir. İstanbul'un farklı bölgelerinde Nisan-Ekim 2011 periyodunda, çalışılan istasyonlarda üretilen veriler karşılaştırılarak aralarındaki benzerlik ve farklılıklar belirlenmiştir. Çalışma kapsamında, Avrupa yakasında Rumeli Feneri, İstinye Emirgan Korusu, YTÜ Yıldız, YTÜ Maslak, YTÜ Davutpaşa, Fenertepe, Koç Üniversitesi, Avcılar, Silivri, Yenikapı, Şirinevler, Bakırköy, Kabataş, Sarıyer ve Levent olmak üzere 15 noktada; Asya yakasında Kadıköy, Bostancı, Maltepe ve Büyük Çamlıca Belediye Tesisleri olmak üzere 4 noktada örneklemeler yapılmıştır. İyon analizleri F-, Cl-, NO-2, Br-, NO-3, SO4-2, PO4-2, Li+, Na+, NH+4, K+, Mg+2, Ca+2 IC cihazı ile ve iz element Al, Fe, Ca, Zn, Co, Pb, Ca, Ni, Fe, Mn, Cr, V, Cu, Al ve B ICP cihazlarıyla yapılmıştır. İç bölge istasyonlarında toplanan aerosol örneklerinde endüstri ve trafik etkisi görülmüştür. Çalışma periyodunda kıyı bölgesi istasyonlarında rüzgar yönü denizden aerosol taşınımına kısmen negatif yönde etkili olmuşsa da, doğal kaynak etkisi gözlemlenmiştir.Marmara denizi, Karadeniz ve İstanbul Boğazı'ndan gelen aerosol taşınımına ilişkin yapılan çalışmada herbir denizi temsil eden istayonların ortalama akı değerleri bulunmuştur. Deniz aerosolünü temsil eden Na+ ve Cl- akıları Marmara Denizi için 34,9±26,2 mg/m2.gün ve 42,5±43,4 mg/m2.gün; Karadeniz için 109,8±59,8 mg/m2.gün ve 77,6±98,5 mg/m2.gün; İstanbul Boğazı için 94,7±94,5 mg/m2.gün ve 67,4±56,8 mg/m2.gün olarak bulunmuştur. Deniz aerosolü oluşumuna ilişkin kıyı örneklemeleri yapılırken; karasal bölgelere taşınım için örneklemeler iç bölgelerdeki istasyonlarda yapılmıştır. İç bölgelerde ortalama Na+ ve Cl- akıları en az İstanbul Boğazı'na 3,3 km uzaklıktaki Levent'te 14,8±16,8 mg/m2.gün ve 14,4±16,2 mg/m2.gün; 3,5 km uzaklıktaki YTÜ Maslak Kampüsü'nde 24,9±16 mg/m2.gün ve 21,7±12,7 mg/m2.gün olarak hesaplanmıştır. Bu parametre akılarının kaynak belirlenmesine ilişkin zenginleşme faktör analizleri (EF) yapılmıştır. Denizsel zenginleşme (EF)d analizleri neticesinde İstanbul'un kıyı hattı boyunca (Marmara, Karadeniz, İstanbul Boğazı) deniz yüzeylerinden etkilenen kıyı bölgesi değerlerine yakın Na+ ve Cl- akıları hesaplanmıştır. EFd değerleri deniz aerosolünü temsil eden iyonlardan Cl- için kıyı istasyonları boyunca yaklaşık 1 olarak hesaplanmıştır. Özellikle yaz döneminde bu bölgelerde ve iç bölgelerde denizsel bir zenginleşme kaydedilmiştir. Ayrıca çalışma periyodu boyunca endüstriyel faaliyetlerin daha yoğun olduğu istasyonlarda krom, kurşun, nikel, çinko, kadmiyum bakımından zenginleşmeler gözlemlenirken; alüminyum, demir ve magnezyum benzeri parametre akı değerlerinin ilkbahar ve sonbahar mevsimlerinde doğal kaynaklardan zenginleşerek İstanbul iline ulaştıkları belirlenmiştir. Bu sonuçlar istasyonlardaki lokal kaynakların etkisi ve Asal Bileşen Analizi (PCA) sonuçlarına uyumla açıklanmıştır.Örneklemelerle elde edilen bulgular, HYSPLIT modeli uzun mesafeli taşınım sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Uzun mesafeli taşınıma ilişkin, örnekleme periyodu dahilinde, Türkiye üzerine 16 Nisan'da Mısır'dan ve 29 Eylül'de Ürdün'den toz taşınımı olduğu görülmüştür. Bu taşınımlara ait uydu haritaları NASA'nın Earth Observatory internet sitesinde yayınlanmaktadır. Sözkonusu taşınımların örneklemeler üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla, aynı tarihlerde HYSPLIT ile 500, 750 ve 1500 m yükseklikte 24 saatlik geri yörünge modelleri çalıştırılmıştır. Model çıktılarına göre, her iki durumun gerçekleştiği zamanlarda İstanbul üzerine gelen hava kütlelerinin Karadeniz üzerinden ulaştığı tespit edilmiştir. Dolayısıyla, bu iki olayın etkili dönemde örneklenen aerosollerin bileşimleri; aerosol kaynaklarının yerel olarak deniz, antropojenik ve toprak kaynaklı olduğu kanaatine varılmıştır.Aerosol bileşenlerinin (iyon ve iz element) istatistik değerlendirmeleri incelendiğinde ise, denizin nispeten stabil bir emisyon kaynağı olduğu, dolayısıyla bu kaynağın daha baskın olduğu, akı değerlerinin dar bir aralıkta değişim gösterdikleri belirlenmiştir. Antropojenik kaynakların etkili olduğu yerlerde ise daha geniş değişim aralığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, ion (a set of both trace element and inorganic ions) concentrations of atmospheric aerosols collected along the coastline and in terrestrial regions of Istanbul in accordance with the ASTM-G140 Wet Candle method were measured between April 2011 and October 2011. Similarities and dissimilarities in the chemical compositions of aerosols from various sampling sites were investigated. Aerosol samplings were performed at the stations of Rumeli Feneri, İstinye Emirgan, YTU Maslak, YTU Davutpaşa, Fenertepe, Koç Üniversitesi, Avcılar, Silivri, Yenikapı, Şirinevler, Bakırköy, Kabataş, Levent and Sarıyer which are in the European side of İstanbul; Kadikoy, Bostanci, Maltepe and Büyük Çamlıca Municipal facilities stations which are in the Asian side. Ions (F-, Cl-, NO-2, Br-, NO-3, SO-4, PO-24, Li+, Na+, NH+4, K+, Mg+2, Ca+2) analyses and trace elements (Al, Fe, Ca, Zn, Co, Pb, Ca, Ni, Fe, Mn, Cr, V, Cu, Al, B) analyses were performed by Ion Chromatography and ICP instruments, respectively. Although partially negative effect of wind direction was observed, impact of traffic and industry were also observed on aerosol samples collected from stations in the inner regions. On the other hand, effect of natural sources were predominantly observed in the coastal line of İstanbul. Average Na+ and Cl- fluxes and standard deviation values were determined on the aerosol plume for the Sea of Marmara, the Black Sea and the Bosphorus, and their average values were found to be 34,91±26,27 mg/m2.day and 42,53±43,49 mg/m2.day; 109,82mg/m2.day and 77,69 mg/m2.day; 94,77±94,55 mg/m2.day and 67,48±56,81 mg/m2.day. While aerosol samples were collected on the coastal region of İstanbul in order to examine the marine aerosol formation, aerosol samples were also collected in the inner parts of İstanbul to examine the marine aerosol transportation toward inland areas. Highest and lowest average Na+ and Cl- fluxes and their respective standard deviation ordinarily for; YTU Yıldız, 1,77 km and Levent, 3,3 km away from the Bosphorus were determined to be 24,91±16,09 mg/m2.day and 21,72±12,76 mg/m2.day, 14,81±16,81 mg/m2.day and 14,48±16,27 mg/m2.day Enrichment Factor Analysis (EF) were performed in order to determine sources of parameters. As a result of marine enrichment factor analysis (EF)d fluxes of Na+ ve Cl- were calculated as a close to the values of the affected coastal area of sea surface along the coast of Istanbul (Marmara Sea, Black Sea and Istanbul Bosphorus). EFm values are calculated 1 for Cl- which represent to marine aerosol throughout coastal stations. Marine enrichment was recorded especially summer season in coastal and inland areas of Istanbul. In addition, while fluxes of chromium, lead, nickel, and zinc are generated from anthropogenic sources such as local and regional industries during all study period, fluxes of aluminum, iron, magnesium etc. are reached to Istanbul from natural sources during spring and autumn. At the same time, these results were explained according to effect of local sources on stations and results of Principle Component Analysis (PCA).The results of samples were compared with the results of long range transport obtained from HYSPLIT model. Dust plume were transported from Egypt and Jordan to Turkey on 16 April and 29 September within the sampling period. Satellite maps of this transportations were displayed by NASA's Earth Observatory website. The same dates back to 24-hour HYSPLIT trajectory model was run with an altitude of 500, 750 and 1500 m in order to determine the effects of transportation on aerosol samples. According to the model outputs of both situations, the air masses approaching over Istanbul during both cases came from over Blacksea and not from southeast. Therefore, it was concluded from the compositions of aerosol collcted during those periods that the sources of aerosols were thought to be originated from marine, anthropogenic and soil structures on local scales.Statistical analyses of aerosol compositions showed that, variations of mass flux values were wider in the case of dominant marine originated aerosols and relatively narrower in the case of dominant anthropgenic originated aerosols.