Συσχέτιση των χημικών ιδιοτήτων με οπτικές και κλιματικές παραμέτρους των αιωρούμενων σωματιδίων στην ευρύτερη περιοχή των Αθηνών

Abstract

The objective of the present work is the investigation of the correlation between chemical composition and physico-optical parameters of aerosol, in order to comprehend their climatic role in a megacity that is located in the area of Eastern Mediterranean. Therefore, measurements of mass concentration, organic carbon, elemental carbon, main ions and (selectively) metal concentrations were applied on samples that were collected at 2 sites in Athens (urban and suburban). On a seasonal basis, summer EC is formed by dominant regional sources (53±12% of EC) while, in winter the prevailing result of local sources is highlighted (71±8% of EC). OC reaches 79±4% of total carbon and the estimated particulate organic matter (POM) constitutes 24±6% of the collected fine particles. The calculated mean concentration of water soluble organic carbon (WSOC) is 1.5±0.9 μg m-3 and the estimated ratio WSOC/OC is 63±7%, reflecting the presence of aged aerosol in the area. A detailed analysis of ionic mass fraction shows that nss-SO4-2 constitutes the major component while, NO3- and NH4+ contribute to a lesser extent. Chemical mass closure justifies on average 96±11% and 82±10% of measured aerosol mass, during dust events and in the absence of dust events, respectively. POM and ionic mass (IM) contribute mainly in the total particulate mass, followed by dust and water. The application of PMF3.0 model led to the identification of six factors, in descending order: secondary photochemistry, soil, fossil fuel combustion, traffic, biomass burning and sea salt. Furthermore, in the urban station, the relative contribution of local EC, IM and POM is 52-56% in winter, in contrast to the warmer period of the year, when only 11% of EC, IM and POM is local. Daily values of scattering coefficient give an average of 30.1±3.9 Μm-1 while, the mean value of absorption coefficient is 5.2±1.4 Μm-1. Scattering coefficient is significantly affected by fine particles and the included sulphate ions while, absorption coefficient is mainly affected by EC concentration. The mean single scattering albedo (SSA) value is estimated to be 0.87±0.11. Daily values of scattering coefficient that is measured by the nephelometer and is reconstructed on dry and ambient conditions (based on chemical parameters) present good correlation while, the seasonal variability of the scattering coefficient is satisfactorily represented by aerosol chemical composition. The water reception is estimated to contribute on average 46±13% to the reconstructed scattering coefficient. Finally, the effect of dust on absorption of radiation is studied and, its estimated contribution equals to 13%, during the whole studied period.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των συσχετισμών μεταξύ της χημικής σύστασης και των φυσικό-οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων, προκειμένου να κατανοηθεί ο κλιματικός τους ρόλος σε μία μεγαλούπολη στην ευρύτερη περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Ως εκ τούτου, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις των μαζών, του στοιχειακού άνθρακα, οργανικού άνθρακα, των ιόντων και των μετάλλων (επιλεκτικά), στα δείγματα που συλλέχθηκαν σε 2 σταθμούς της Αθήνας (αστικό και περιαστικό). Σε εποχική βάση, ο EC εκπέμπεται από κυρίαρχες περιοχικές πηγές (53±12% του EC) ενώ, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, επισημαίνεται η σημαντικότητα των τοπικών πηγών (71±8% του EC). Ο OC φθάνει στο 79±4% του ολικού άνθρακα, και η εκτιμώμενη σωματιδιακή οργανική ύλη (ΡΟΜ) αποτελεί το 24±6% των συλλεχθέντων λεπτών αερολυμάτων. Η υπολογισμένη μέση συγκέντρωση του υδατοδιαλυτού οργανικού άνθρακα (WSOC) είναι 1.5±0.9 μg m-3 και ο εκτιμώμενος λόγος WSOC/OC είναι 63±7%, αντανακλώντας την παρουσία «γερασμένων» αερολυμάτων στην τοποθεσία. Η λεπτομερής ανάλυση του ιοντικού κλάσματος μάζας δείχνει ότι τα θειικά μη-θαλάσσιας προέλευσης (nss-SO4-2) αποτελούν τα κύρια συστατικά ενώ, τα νιτρικά (NO3-) και αμμώνια (NH4+) συνεισφέρουν σε μικρότερο ποσοστό. Το ισοζύγιο χημικής μάζας δικαιολογεί, κατά μέσο όρο, το 96±11% και το 82±10% της μετρούμενης μάζας των αερολυμάτων, κατά την διάρκεια των επεισοδίων σκόνης και απουσία σκόνης, αντίστοιχα. Στη συνολική σωματιδιακή μάζα των ΡΜ2.5 συνεισφέρουν, κατά κύριο λόγο, η οργανική σωματιδιακή ύλη και η ιοντική μάζα (ΙΜ) ενώ, ακολουθεί η σκόνη και το νερό. Η χρήση μοντέλου PMF οδήγησε στην ταυτοποίηση έξι πηγών αερολυμάτων, με σειρά φθίνουσας συνεισφοράς: δευτερογενής φωτοχημεία, έδαφος, χρήση ορυκτών καυσίμων, κυκλοφορία αυτοκινήτων, καύση βιομάζας και θαλάσσιο άλας. Επιπλέον, στον αστικό σταθμό, η σχετική συνεισφορά των τοπικών EC, IM και POM είναι 52-56% το χειμώνα, σε αντίθεση με τη θερμότερη περίοδο του χρόνου, οπότε μόνο το 11% των EC, IM και POM είναι τοπικό. Η μέση τιμή του συντελεστή σκέδασης είναι 30.1±3.9 Μm-1 ενώ, ο μέσος όρος για το συντελεστή απορρόφησης προέκυψε 5.2±1.4 Μm-1. Ο συντελεστής σκέδασης επηρεάζεται σημαντικά από τα λεπτά σωματίδια και από τα περιεχόμενα σε αυτά θειικά ιόντα, ενώ ο συντελεστής απορρόφησης εξαρτάται, κυρίως, από την συγκέντρωση του EC στα λεπτά σωματίδια. Η μέση τιμή της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης (SSA) εκτιμάται ότι είναι 0.87±0.11. Οι ημερήσιες τιμές του συντελεστή σκέδασης που έχει μετρηθεί από το νεφελόμετρο και αυτού που έχει ανακτηθεί, σύμφωνα με τη χημεία, σε συνθήκες περιβάλλοντος και σε ξηρές συνθήκες, παρουσιάζουν καλή συσχέτιση μεταξύ τους ενώ, φαίνεται ότι η εποχική μεταβλητότητα του συντελεστή σκέδασης μπορεί να αναπαραχθεί ικανοποιητικά μέσω της χημικής σύστασης των αερολυμάτων. Υπολογίζεται ότι η σχετική συνεισφορά της πρόσληψης νερού στον ανακτώμενο συντελεστή σκέδασης συνεισφέρει κατά μέσο όρο 46±13%. Τέλος, μελετάται η επίδραση της σκόνης στην απορρόφηση της ακτινοβολίας και η συνεισφορά της βρέθηκε ίση με 13% για το συνολικό μελετώμενο χρονικό διάστημα.