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

Abstract

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.