Δυναμική των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων και μελέτη του δυναμικού πυρηνοποίησής τους στην Ανατολική Μεσόγειο

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η δυναμική των αιωρούμενων σωματιδίων και το δυναμικό πυρηνοποίησης των αερολυμάτων στην ανατολική Μεσόγειο. Ο κύριος όγκος μετρήσεων πραγματοποιήθηκαν στον Ερευνητικό Σταθμό του Πολυτεχνείου Κρήτης, ενώ ένα μικρό μέρος αυτών διεξήχθησαν σε θέση εντός του αστικού ιστού της πόλεως των Χανίων. Ο σταθμός του Ακρωτηρίου είναι ένας αγροτικός / αστικός σταθμός υποβάθρου (rural / background urban), ενώ παράλληλα διατηρεί και τα βασικά χαρακτηριστικά ενός παραθαλάσσιου σταθμού μέτρησης, όπως φάνηκε και από τα αποτελέσματα (marine).

Υπολογίστηκε ότι η μέση συγκέντρωση για τα έτη 2003-2010 και 2013 ήταν για μεν τα PM10 ίση με 38,3 ± 11,2 μg/m3, για δε τα PM2,5 ίση με 24,7 ± 6,6 μg/m3. Οι υψηλότερες τιμές για τα σωματίδια PM10 καταγράφηκαν τους καλοκαιρινούς μήνες Ιούλιο και Αύγουστο, με τους μήνες Φεβρουάριο, Απρίλιο και Μάιο να ακολουθούν. Οι εξάρσεις της συγκέντρωσης τους ανοιξιάτικους μήνες, καθώς και η εμφάνιση υψηλών τιμών τυπικής απόκλισης τους μήνες αυτούς, συσχετίζονται με την εμφάνιση μεταφοράς σκόνης από την βόρεια Αφρική. Κατά ανάλογο τρόπο, το κλάσμα PM2,5 των σωματιδίων εμφανίζει υψηλότερες συγκεντρώσεις τους μήνες Αύγουστο, Ιούλιο και Οκτώβριο, και χαμηλότερες τον Δεκέμβρη και τον Ιανουάριο. Σε στατιστική ανάλυση που έγινε για την προέλευση των ανέμων στην περιοχή βρέθηκε να επικρατούν οι βόρειας και δυτικής διεύθυνσης άνεμοι.

Σχετικά με την ημερήσια διακύμανση των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή, αυτή ακολουθεί την κλασική και αναμενόμενη πορεία, αύξησης αυτών την ημέρα και πτώσης των συγκεντρώσεων κατά τη διάρκεια της νύκτας. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, δύο κορυφές κάνουν την εμφάνισή τους, η μία το μεσημέρι και η δεύτερη αργά το απόγευμα. Τα μέγιστα αυτά συνδέονται άμεσα με τις τοπικές πηγές εκπομπής σωματιδίων και τις αλλαγές στο ύψος του οριακού στρώματος στην περιοχή. Η κατανομή μάζας εμφανίζει δύο κύρια μέγιστα, ένα στις διαμέτρους των λεπτόκοκκων σωματιδίων σε διαμέτρους μικρότερες του 1 μm, και το δεύτερο σε αεροδυναμικές διαμέτρους που κυμαίνονται μεταξύ 3,3 και 9 μm.

Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας των PM10 αφορούσε σε ανόργανα χημικά είδη με τα ιόντα να καταλαμβάνουν ένα 50-80 % και τα ανιόντα να επικρατούν έναντι των κατιόντων. Έπονται με μικρότερα ποσοστά τα μέταλλα, ο οργανικός και ανόργανος άνθρακας και άλλα χημικά είδη που δεν ταυτοποιήθηκαν, όπως οργανικές ενώσεις, νερό κτλ. Πρόκειται για παρόμοιες τιμές, με εκείνες που έχουν μετρηθεί σε άλλες θέσεις της ελληνικής επικράτειας και κυρίως σε σταθμούς υποβάθρου, όπως είναι αυτός στην Φινοκαλιά Λασηθίου.

Παρατηρήθηκε ότι, κατά προσέγγιση, οι τιμές συγκέντρωσης κυμαίνονται σε επίπεδα κάτω των 35 μg/m3 για το 60 % των μετρούμενων τιμών συγκέντρωσης, μεταξύ 35 και 50 μg/m3 για το 20 %, ενώ το υπόλοιπο 20 % παρουσιάζει τιμές μεγαλύτερες του ημερήσιου θεσμοθετημένου ορίου των 50 μg/m3. Τους μήνες, από τον Οκτώβριο μέχρι και τον Μάιο, σχεδόν το σύνολο των ημερήσιων υπερβάσεων PM10 οφείλονται σε αερομεταφερόμενη αφρικανική σκόνη, πράγμα που δείχνει την μεγάλη συνεισφορά των ερήμων της Αφρικής στο σωματιδιακό ατμοσφαιρικό ισοζύγιο της περιοχής της ανατολικής Μεσογείου. Αντίθετα στις περιπτώσεις των μηνών της περιόδου Ιούνιου – Σεπτεμβρίου δε συμβαίνει κάτι ανάλογο και οι υπερβάσεις βρέθηκε ότι οφείλονται είτε σε τοπικές πηγές εκπομπής είτε σε μεταφορά σωματιδιακών ρυπαντών από αστικά κέντρα της χώρας ή άλλες χώρες της ανατολικής Ευρώπης, την Τουρκία και τη Ρωσία, μέσω των αερίων μαζών που έρχονται με τα μελτέμια της καλοκαιρινής περιόδου.

Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι σχετικά με τα επεισόδια της αερομεταφερόμενης αφρικανικής σκόνης στην περιοχή μελέτης κυριαρχούν σε συμμετοχή οι αέριες μάζες οι προερχόμενες από την Λιβύη, ενώ ακολουθούν σε συχνότητα εμφάνισης η Αλγερία και η Τυνησία, χώρες που βρίσκονται δυτικά της Λιβύης. Η Αίγυπτος, το Μαρόκο, η Μαυριτανία, το Μάλι, το Τσαντ, το Σουδάν και η Νιγηρία με λίγες εμφανίσεις έκαστο, καταγράφονται σποραδικά σε κινήσεις αερίων μαζών που καταλήγουν στην ανατολική Μεσόγειο. Από τα προηγούμενα συνάγεται το συμπέρασμα ότι η κύρια ευρύτερη περιοχή προέλευσης των αερίων μαζών που φθάνουν στην ανατολική Μεσόγειο είναι η βορειοδυτική Αφρική (δυτική και κεντρική Σαχάρα και βορειοδυτική έρημος Σάχελ). Διαπιστώθηκε ότι ο ιλλίτης αποτελεί το ορυκτό με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση στα συλλεχθέντα δείγματα, ενώ αξιοσημείωτα ποσοστά εμφάνισαν και τα ορυκτά χαλαζίας, καλσίτης, καολινίτης, δολομίτης, παλυγορσκίτης, αλμπίτης, οι χλωρίτες και στα ξηρά δείγματα ο γύψος.

Συμπερασματικά διαπιστώθηκε ότι, οι κύριες πηγές για την μάζα των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου είναι οι φυσικές πηγές, όπως η Μεσόγειος θάλασσα, ο δευτερογενής σχηματισμός αυτών στην ατμόσφαιρα μέσω πρόδρομων ενώσεων, η μεταφορά ορυκτογενούς σκόνης από την βόρεια Αφρική καθώς και αστικών και βιομηχανικών αερολυμάτων από περιοχές της κεντρικής και βόρειας Ευρώπης, ενώ και οι τοπικές πηγές εκπομπής συνεισφέρουν σε κάποιον βαθμό στα μετρούμενα επίπεδα ατμοσφαιρικών αερολυμάτων, ως αποτέλεσμα της μέσης αστικοποίησης που καταγράφεται στις χώρες που κείνται στην ευρύτερη περιοχή της ανατολικής Μεσογείου.

Η μέτρηση του πλήθους των αιωρούμενων σωματιδίων πραγματοποιήθηκε με το όργανο SMPS (Grimm). Η μέση τιμή για το σύνολο της περιόδου 2009-2014 όπου έλαβαν χώρα οι μετρήσεις για συνολικά 550 ημέρες, ήταν 4922 ± 3645 σωμ. / cm3, διάμεσος τιμή 4066 σωμ. / cm3, ενώ η ελάχιστη και μέγιστη τιμή πλήθους σωματιδίων που καταγράφηκαν ήταν 134 και 99561 σωμ. / cm3, αντίστοιχα. Επίσης βρέθηκε ότι οι πυρήνες για την πρώτη περίοδο 2009-2012 καταλάμβαναν ένα ποσοστό 16,9 %, τα σωματίδια Αitken 47,7 % και τα σωματίδια συσσώρευσης 35,4 %. Ανάλογα, για την περίοδο 2013-2014 τα ποσοστά αυτά διαμορφώθηκαν στο 22,3, 59,2 και 18,6 %, αντιστοίχως. Η πλειοψηφία των καταγεγραμμένων περιπτώσεων, πάνω από το 50 %, εμφανίζει δικόρυφη κατανομή, σαν αποτέλεσμα των ατμοσφαιρικών διεργασιών στις οποίες συμμετέχουν τα υπέρλεπτα αιωρούμενα σωματίδια. Εξάλλου οι τιμές των συγκεντρώσεων κατά τη διάρκεια του χειμώνα παρουσίασαν και τις μεγαλύτερες διακυμάνσεις μέσα σε ένα 24-ωρο, σε σχέση με τις άλλες τρεις εποχές του έτους, αποτέλεσμα της χρήσης βιομάζας και πετρελαίου για τη θέρμανση, διεργασίες που παράγουν πλήθος σωματιδίων και του φυσικού καθαρισμού της ατμόσφαιρας την περίοδο αυτή (επεισόδια υγρής κατακρήμνισης), που τα απομακρύνουν από την ατμόσφαιρα.

Η μελέτη της κατανομής των συγκεντρώσεων της επιφάνειας και του όγκου των αιωρούμενων σωματιδίων, για τις περιόδους των καθημερινών ημερών και των σαββατοκύριακων έδειξε ότι οι υψηλότερες συγκεντρώσεις παρατηρούνται τα σαββατοκύριακα των χειμερινών μηνών, ενώ την περίοδο των καθημερινών ημερών του χειμώνα, παρατηρείται επίσης η υψηλότερη συγκέντρωση σε σχέση με αυτές που καταγράφονται τις άλλες εποχές του έτους. Εξάλλου, την περίοδο του χειμώνα εμφανίζονται οι υψηλότερες συγκεντρώσεις τόσο για την επιφάνεια (143,5 ± 119,6 μm2/cm3), όσο και για τον όγκο των μετρούμενων σωματιδίων (3,31 ± 2,84 μm3/cm3), ενώ η μικρότερη τιμή επιφάνειας, εμφανίζεται την εποχή του φθινοπώρου, με μέση τιμή 76,6 ± 40,8 μm2/cm3.

Συνολικά στην περιοχή του Ακρωτηρίου στο χρονικό διάστημα των 550 ημερών που έλαβαν χώρα μετρήσεις με την διάταξη CPC-DMA, καταγράφηκαν 64 σημαντικά φαινόμενα πυρηνοποίησης. Κατά μέσο όρο βρέθηκε ότι ανά 8 ημέρες εμφανίζεται 1 φαινόμενο πυρηνοποίησης στην περιοχή. Η μέση διάρκεια αυτών των φαινομένων ήταν 10 ώρες, με το μικρότερο από αυτά να διαρκεί 1,5 ώρα και το μεγαλύτερο να έχει διάρκεια 30 ώρες. Η εμφάνιση νυκτερινών και ημερησίων φαινομένων παρουσιάζουν την ίδια πιθανότητα. Ο ρυθμός μεγέθυνσης GR κυμάνθηκε από 1,58 έως 126,84 nm h-1 με μέση τιμή 12,6 nm h-1, ενώ ο ρυθμός σχηματισμού J από 0,05 έως 10,19 cm-3 s-1 με μέση τιμή 1,4 cm-3 s-1. Τέλος, φάνηκε ότι ούτε ημερήσια, ούτε εποχιακή προτίμηση δείχνει η εμφάνιση του φαινομένου της πυρηνοποίησης στην περιοχή, καθώς τα σταθμισμένα ποσοστά εμφάνισης έδειξαν ομοιόμορφη κατανομή στον χρόνο.

Διαπιστώθηκε ότι οι κύριες πηγές του πλήθους των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου είναι οι τοπικές πηγές εκπομπής αερολυμάτων, η μεταφορά τους από την βόρεια Αφρική και τα γεγονότα σχηματισμού μέσω πυρηνοποίησης, φαινόμενο που εν τέλει καθορίζει την δυναμική της αριθμητικής συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων στην ανατολική Μεσόγειο.