Biomass burning tracers in the atmosphere

Abstract

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are organic semi-volatile molecules with more than 2 fused aromatic rings structure originating from incomplete combustion processes, mainly of anthropogenic origin. Their presence in the atmosphere plays a significant role due to their health effects. PAHs and their oxygenated derivatives (OPAHs) are related to both carcinogenic and non-carcinogenic impact on human health making their monitoring required for assessing air quality especially in populated areas. PAHs and OPAHs are linked to biomass burning emissions. The increasing trend of biomass burning use of for domestic heating throughout the last decade in many European countries, and the increased prevalence of wildfires affects the air quality of cities throughout the world. During this study the PAHs and OPAH levels were studied in the urban environment of Athens, Greece in yearlong measurement campaigns in order to characterize their seasonality, sources and carcinogenic risk. The levels of measured substances were studied concurrently with other PM tracers and through Positive Matrix Factorization analysis their sources were assessed. Biomass burning and traffic related sources such as gasoline and oil/diesel combustion are found to be the major contributors to PAHs and OPAHs concentrations (biomass burning: 44% & 69% to PAHs and OPAHs, traffic: 53% & 25% to PAHs and OPAHs, respectively) while limited role is given to non-local sources. Regarding their toxicity, it was demonstrated that the carcinogenic risk is considerable elevated and a significant percentage of it is associated with biomass burning, and levels are above. Throughout the sampling period, certain case studies were examined, one of them being the winter intense pollution events (IPEs). During winter seasons some days with low wind speed, absence of precipitation and high black carbon (BC) levels, the concentration of PAHs and OPAHs were significantly higher compared to the non-IPE events (factor of 10). These IPEs were detected in all the four winter seasons examined (2016-2017, 2017-2018, 2018-2019, 2020-2021). Another case study focuses on the years of 2020-2021 when the restrictions on traffic for the limitation of COVID-19 spread, reduced the PAHs and OPAHs levels. Finally, a third study refers to a wildfire event that was recorded during May 2021 in a forest area close to Athens and constitutes an example of how wildfire events, a phenomenon that tends to have an increased frequency globally due to climate change, affects the air quality of neighboring urban center. The importance of biomass burning emissions as a source of PAHs and OPAHs lead to the further investigation of this factor through a series of experiments in the FORTH atmospheric simulation chamber. Fuels such as logs from olive wood (hardwood) and wood pellets were burned using a range of appliances and the emitted smoke was studied in detail. The fresh emissions were subsequently aged through two different methods for the characterization of the daytime and night time aging of the plume. In addition, the combustion source was studied under flaming & smouldering conditions and the PAH, OPAH profiles were measured in each case. Furthermore, the impact of relative humidity inside the simulation chamber was examined showing that it strongly affects the PAHs and OPAHs levels by decreasing them 6 and 17 times, respectively. Diagnostic ratios of the detected PAHs and OPAHs members were calculated under fresh and aged combustion processes showing the transformation of the ratios through aging and finally the potential carcinogenic risk of the two fuels and of different humidity conditions was estimated. The emissions from wood burning combustion present 23 and 4 times higher carcinogenic risk for PAHs and OPAHs respectively, compared to pellet combustion emissions.

Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) είναι οργανικά ημι-πτητικά μόρια με περισσότερους από 2 αρωματικούς δακτυλίους στην δομή τους που προέρχονται από διαδικασίες ατελούς καύσης, κυρίως ανθρωπογενούς προέλευσης. Η παρουσία τους στην ατμόσφαιρα έχει σημαντικό ρόλο λόγω των επιπτώσεών τους στην ανθρώπινη υγεία. Οι ΠΑΥ και τα οξυγονωμένα παράγωγά τους (OΠΑΥ) σχετίζονται με επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία σχετιζόμενες και μη με τον καρκίνο, καθιστώντας την παρακολούθησή τους απαραίτητη για την αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα ειδικά σε κατοικημένες περιοχές. Οι ΠΑΥ και οι OΠΑΥ συνδέονται με τις εκπομπές καύσης βιομάζας. Η αυξανόμενη τάση της χρήσης της καύσης βιομάζας για οικιακή θέρμανση κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες και η αυξημένη επικράτηση των πυρκαγιών επηρεάζει την ποιότητα του αέρα των πόλεων σε όλο τον κόσμο. Κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης, τα επίπεδα ΠΑΥ και OΠΑΥ μελετήθηκαν στο αστικό περιβάλλον της Αθήνας, σε ετήσιες καμπάνιες μετρήσεων, προκειμένου να χαρακτηριστεί η εποχικότητα, οι πηγές και το ρίσκο καρκινογένεσης από αυτές. Τα επίπεδα των μετρούμενων ΠΑΥ και ΟΠΑΥ μελετήθηκαν ταυτόχρονα με άλλους ιχνηθέτες που βρίσκονται στα αιωρούμενα σωματίδια και μέσω της ανάλυσης Positive Matrix Factorization προσδιορίστηκαν οι πηγές τους. Η καύση βιομάζας και οι πηγές που σχετίζονται με την κυκλοφορία, όπως η βενζίνη και η καύση πετρελαίου/ντίζελ, βρέθηκε ότι συμβάλλουν σημαντικά στις συγκεντρώσεις ΠΑΥ και OΠΑΥ (καύση βιομάζας: 44% & 69% σε ΠΑΥ και OΠΑΥ, κίνηση αυτοκινήτων: 53% & 25% σε ΠΑΥ και OΠΑΥ, αντίστοιχα) ενώ περιορισμένος ρόλος δίνεται σε μη τοπικές πηγές. Όσον αφορά την τοξικότητά τους, αποδείχθηκε ότι ο κίνδυνος καρκινογένεσης είναι αρκετά αυξημένος και ένα σημαντικό ποσοστό του σχετίζεται με την καύση βιομάζας. Κατά τη διάρκεια της δειγματοληπτικής περιόδου, εξετάστηκαν ορισμένες περιπτωσιολογικές μελέτες, μία από τις οποίες ήταν τα χειμερινά επεισόδια έντονης ρύπανσης (IPEs). Κατά τις χειμερινές περιόδους ορισμένες ημέρες με χαμηλή ταχύτητα ανέμου, απουσία βροχοπτώσεων και υψηλά επίπεδα μαύρου άνθρακα (BC), η συγκέντρωση των ΠΑΥ και των OΠΑΥ ήταν σημαντικά υψηλότερη σε σύγκριση με τα μη IPE συμβάντα (συντελεστής 10). Αυτά τα IPE εντοπίστηκαν και στις τέσσερις χειμερινές περιόδους που εξετάστηκαν (2016-2017, 2017-2018, 2018-2019, 2020-2021). Μια άλλη μελέτη περίπτωσης επικεντρώνεται στα έτη 2020-2021 όταν οι περιορισμοί στην κυκλοφορία για τον περιορισμό της εξάπλωσης του COVID-19, μείωσαν τα επίπεδα των ΠΑΥ και των OΠΑΥ. Τέλος, μια τρίτη περίπτωση αναφέρεται σε ένα επεισόδιο δασικής πυρκαγιάς που καταγράφηκε τον Μάιο του 2021 σε δασική περιοχή κοντά στην Αθήνα και αποτελεί παράδειγμα του πώς ένα φαινόμενο, οι δασικές πυρκαγιές, που τείνει να έχει αυξημένη συχνότητα παγκοσμίως λόγω της κλιματικής αλλαγής, επηρεάζει την ποιότητα του αέρα του γειτονικού αστικού κέντρου.Η σημασία των εκπομπών καύσης βιομάζας ως πηγή ΠΑΥ και OΠΑΥ οδήγησε στην περαιτέρω διερεύνηση αυτού του παράγοντα μέσω μιας σειράς πειραμάτων στον θάλαμο ατμοσφαιρικής προσομοίωσης του ΙΤΕ-ΙΕΧΜΗ. Καύσιμα όπως κορμοί από ξύλο ελιάς και πέλετ ξύλου κάηκαν με χρήση παραδοσιακής ξυλόσομπας και σόμπας πέλετ και μελετήθηκε λεπτομερώς ο καπνός που εκπέμπεται. Οι φρέσκες εκπομπές στη συνέχεια οξειδώθηκαν μέσω δύο διαφορετικών μεθόδων για τον χαρακτηρισμό της ημερήσιας και νυχτερινής γήρανσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η πηγή καύσης σε συνθήκες flaming & smoldering και μετρήθηκαν τα προφίλ ΠΑΥ, OΠΑΥ σε κάθε περίπτωση. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της σχετικής υγρασίας στο εσωτερικό του θαλάμου προσομοίωσης δείχνοντας ότι επηρεάζει έντονα τα επίπεδα ΠΑΥ και OΠΑΥ μειώνοντάς τα 6 και 17 φορές, αντίστοιχα. Οι διαγνωστικοί λόγοι των ΠΑΥ υπολογίστηκαν για τις φρέσκες και γηρασμένες εκπομπές και έδειξαν τον μετασχηματισμό των λόγων μέσω της γήρανσης και, τέλος, εκτιμήθηκε το πιθανό ρίσκο καρκινογένεσης των δύο καυσίμων και των διαφορετικών συνθηκών υγρασίας. Οι εκπομπές από την καύση ξύλου παρουσιάζουν 23 και 4 φορές υψηλότερο κίνδυνο καρκινογένεσης για τους ΠΑΥ και τους OΠΑΥ αντίστοιχα, σε σύγκριση με τις εκπομπές καύσης pellet.