Atmospheric dispersion of particles and their chemical and mineralogical analysis in the greater area of Thessaloniki

Abstract

The present thesis analyses the impact of atmospheric particles dispersion and their chemical and mineralogical analysis in the wider area of Thessaloniki during 2012-2013. Falling dust samples were collected at street-level and rooftop building level, from three selected sampling sites located East (Kalamaria District-multi-storey building), Central (Aristotle University- building roof of the Faculty of Sciences), and West near Thessaloniki’s Seaport (multi-storey parking lot station). Sampling was conducted for a one year period (2012-13), according to prevailing meteorological conditions such as wind speed and precipitation. From each sample 50-150 g of powder was collected, wiping a total area of 1m2 using sterilized collectible instruments. The samples were dried in an oven at 35 °C for 3 days. After that they were passed through a bronchi sieve section of 63mm and received the fraction diameter <63 μm for further investigation. The evaluation of the mineralogical composition of the samples was conducted by the method of X-ray diffractometry (XRD) while the study of the morphology and chemistry of the dust grains was performed by the method of electron microscopy. Impact of uncontrolled emissions of burning of biomass for residential heating in the atmosphere of the city of Thessaloniki during December 2012 was examined and indicated impact in the atmosphere of Thessaloniki with pollutants of organic origin. This with favoring meteorological conditions, attributed to the extensive and uncontrolled burning of biomass for domestic heating. Additionally seasonal variations of the mineralogical composition and the organic matter content of falling dust in Thessaloniki during 2012-13 was examined and indicated that it mainly consists of inorganic origin components from the corrosion of building materials without excluding material contribution from air suspending fumes, while calcite and quartz were the major inorganic crystalline phase determined, with the latter being potentially dangerous for public health. Increase in the organic load of dust samples had been observed for winter 2012-13 compared to the other seasonal sampling periods and to previous winter and autumn monthly periods due to the extensive and uncontrolled burning of biomass for domestic heating as a consequence of the economic crisis in Greece and the high value of petroleum fuel during this period. Finally it was decided to group the samples that were deposited under dry conditions that mediated between 2 rain episodes to 14 bulk samples for sampling location Kalamaria in the east part of Thessaloniki, 18 bulk samples for sampling location AUTH campus in the center part of Thessaloniki, and 16 bulk samples for sampling location PORT in the west part of Thessaloniki, a total of 48 samples that we chemically and mineralogical analyzed. The chemical analysis of the analyzed (48) trace elements indicated increased levels of toxic metals such as As, Zn, Mn, Co, Cr, Cu, Ba, Br, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Tl etc. which favored by the meteorological conditions, resulted in augmented air pollution levels. In order to identify possible emitting sources and to verify at what content, external parameters affected the pollution levels, of our study areas examined dust samples, we implemented for selected dates of increased heavy metals concentrations the FLEXible PARTicle dispersion model, Flexpart-WRF with grid spacing of 0.6 km x 0.6 km running backwards for the three sampling locations and forward for the possible industrial emitting sites. Augmenting its performance with high resolution data feedback from the non-hydrostatic mesoscale numerical meteorological model Weather Research and Forecasting Model (WRF) ruining at high analysis of 0.6 km x 0.6 km (with the advanced research dynamic solver-AWR) and with analysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). The visualization of our simulations for the three selected sampling sites located west, central and east indicated a direct effect of dispersion. Originating from possible emitting sites located west and north at industrial areas of the city resulting to the increased levels of toxic pollutants from our chemical analyses, apart from other anthropogenic and natural parameters (wear from pavements, vehicle tyres and braking systems).

Η παρούσα διατριβή αναλύει την επίδραση της διασποράς των ατμοσφαιρικών σωματιδίων και τη χημική και ορυκτολογική τους ανάλυση στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης κατά την περίοδο 2012-2013. Συλλέχθηκαν δείγματα πίπτουσας σκόνης σε επίπεδο δρόμου και οροφής κτιρίου, από τρεις επιλεγμένες τοποθεσίες δειγματοληψίας ανατολικά (πολυώροφο κτίριο περιοχή Καλαμαριάς), κεντρικά (Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο - στέγη κτηρίου της Σχολής Θετικών Επιστημών) και δυτικά κοντά στο λιμάνι της Θεσσαλονίκης (πολυώροφος χώρος στάθμευσης). Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε για περίοδο ενός έτους (2012-13), σύμφωνα με τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες, όπως η ταχύτητα του ανέμου και η βροχόπτωση. Από κάθε δείγμα συλλέχθηκαν 50-150 g σκόνης, σκουπίζοντας συνολική επιφάνεια 1 m2 χρησιμοποιώντας αποστειρωμένα όργανα συλλογής. Τα δείγματα ξηράνθηκαν σε φούρνο στους 35 ° C για 3 ημέρες. Στη συνέχεια διήλθαν από κόσκινο διατομής βρογχίδας 63μm και παραλήφθηκε το κλάσμα διαμέτρου <63μm για περαιτέρω έρευνα. Η αξιολόγηση της ορυκτολογικής σύστασης των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ (XRD), ενώ η μελέτη της μορφολογίας και της χημείας των κόκκων σκόνης πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Οι ανεξέλεγκτες εκπομπές καύσης βιομάζας για οικιακή θέρμανση στην ατμόσφαιρα της Θεσσαλονίκης τον Δεκέμβριο του 2012 εξετάστηκαν και εμφάνισαν επιπτώσεις με ρύπους οργανικής προέλευσης. Αυτό με συνεπικουρία των ευνοϊκών μετεωρολογικών συνθηκών, αποδίδεται στην εκτεταμένη και ανεξέλεγκτη καύση βιομάζας για οικιακή θέρμανση. Επιπλέον, εξετάστηκαν εποχιακές διακυμάνσεις της ορυκτολογικής σύνθεσης και του περιεχομένου οργανικής ύλης της πίπτουσας σκόνης στη Θεσσαλονίκη κατά τη διάρκεια του 2012-13 και έδειξαν ότι αποτελείται κυρίως από ανόργανα συστατικά προέλευσης από τη διάβρωση των δομικών υλικών χωρίς να αποκλείεται η συνεισφορά αέριων ρύπων ενώ ο ασβεστίτης και ο χαλαζίας ήταν η κύρια ανόργανη κρυσταλλική φάση που προσδιορίστηκε με την τελευταία να είναι δυνητικά επικίνδυνη για τη δημόσια υγεία. Αύξηση του οργανικού φορτίου των δειγμάτων σκόνης παρατηρήθηκε κατά τη χειμερινή περίοδο του 2012-13 σε σύγκριση με τις άλλες εποχιακές περιόδους δειγματοληψίας και με προηγούμενες μηνιαίες περιόδους( χειμώνα και φθινοπώρου) λόγω της εκτεταμένης και ανεξέλεγκτης καύσης βιομάζας για οικιακή θέρμανση ως συνέπεια της οικονομικής κρίσης στην Ελλάδα και της υψηλής αξίας των τιμών καυσίμου (πετρελαίου) κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Τέλος, αποφασίστηκε η ομαδοποίηση των δειγμάτων που εναποτέθηκαν υπό ξηρές συνθήκες που μεσολαβούσαν μεταξύ 2 επεισοδίων βροχόπτωσης, σε 14 δείγματα για την περιοχή δειγματοληψίας στην Καλαμαριά στο ανατολικό τμήμα της Θεσσαλονίκης, 18 δείγματα για την περιοχή δειγματοληψίας στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμια Θεσσαλονίκης στο κέντρο της Θεσσαλονίκης, και 16 δείγματα για την περιοχή δειγματοληψίας στην περιοχή κοντά στο λιμάνι στο δυτικό τμήμα της Θεσσαλονίκης. Συνολικά 48 δείγματα αναλύθηκαν χημικά και ορυκτολογικά. Η χημική ανάλυση των αναλυθέντων (48) ιχνοστοιχείων έδειξε αυξημένα επίπεδα συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων όπως As, Zn, Mn, Co, Cr, Cu, Ba, Br, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Tl κ.λπ. που με την εύνοια των μετεωρολογικών συνήθων εμφάνισαν αυξημένα επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Προκειμένου να εντοπίσουμε πιθανές πηγές εκπομπών και να επαληθεύσουμε σε τι βαθμό εξωτερικές παράμετροι επηρέασαν τα επίπεδα ρύπανσης των περιοχών μελέτης που εξετάσαμε τα δείγματα σκόνης, εφαρμόσαμε για επιλεγμένες ημερομηνίες, όπου είχαμε αυξημένες συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων, το λαγκρατζιανό μοντέλο ατμοσφαιρικής διασποράς Flexpart-WRF με ανάλυση πλέγματος 0,6 χμ. x 0,6 χμ. με εμπρόσθια χρονικά προσομοίωση για τις εν δυνάμει εκπομπές βιομηχανικών περιοχών που βρίσκονται βόρεια και δυτικά και οπισθόδρομη προσομοίωση για τις τρείς περιοχές της δειγματοληψίας μας. Για να ενισχύσουμε την απόδοσή του, έγινε τροφοδότηση δεδομένων υψηλής ανάλυσης, από το μη υδροστατικό αριθμητικό μετεωρολογικό μοντέλο μεσαίας κλίμακα WRF, που τρέχει σε υψηλή ανάλυση 0,6 km x 0,6 km με δεδομένα ανάλυσης από το ευρωπαϊκό κέντρο μετεωρολογικών προβλέψεων μεσαίας κλίμακας ECMWF. Η οπτικοποίηση των προσομοιώσεών μας για τις τρεις επιλεγμένες τοποθεσίες δειγματοληψίας, που βρίσκονται δυτικά, κεντρικά και ανατολικά έδειξαν μια άμεση επίδραση διασποράς όπου φαίνεται να προέρχεται από εν δυνάμει εκπομπές περιοχών που βρίσκονται δυτικά και βόρεια σε βιομηχανικές περιοχές της πόλης. Αυτό ενισχύει το αποτέλεσμα πιθανής συνεισφοράς των περιοχών αυτών στα αυξημένα επίπεδα τοξικών ρύπων που πήραμε από τις χημικές μας αναλύσεις, πέρα από άλλες ανθρωπογενείς και φυσικές παραμέτρους (φθορά δρόμων, δομικών υλικών, πέδησης οχημάτων κλπ.) που είχαν επιδράσει στην ενίσχυση αυτή.