velikost textu

Study of size-resolved atmospheric aerosol using cascade impactors

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Study of size-resolved atmospheric aerosol using cascade impactors
Název v češtině:
Studium velikostně rozlišeného atmosférického aerosolu pomocí kaskádních impaktorů
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Jana Kozáková
Školitel:
Ing. Jaroslav Schwarz, CSc.
Oponenti:
doc. Ing. Michal Vojtíšek, Ph.D.
Mgr. Radovan Krejci
Id práce:
116308
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Ústav pro životní prostředí (31-550)
Program studia:
Environmentální vědy (P3931)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
9. 10. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
atmosférický aerosol, městské prostředí, kvalita ovzduší
Klíčová slova v angličtině:
atmospheric aerosol, urban environment, air quality
Abstrakt:
Abstrakt Disertační práce zahrnuje dva hlavní projekty: 1) výzkum intermodální frakce atmosférického aerosolu a 2) vliv regionálního transportu znečištění ovzduší na kvalitu ovzduší v Ostravě. Úvod a cíl 1. projektu. Jemná a hrubá frakce atmosférického aerosolu jsou považovány za samostatné znečišťující látky. Překrývají se v oblasti velikosti částic mezi 1 – 2.5 µm aerodynamického průměru (dae). Tento překryv představuje intermodální frakci (PM1-2.5). Zdroje jemné i hrubé frakce přispívají různou měrou ke koncentraci PM1-2.5 na lokalitách s různými zdroji a kvůli měnícím se meteorologickým podmínkám. Z tohoto důvodu se vede diskuze, zdali by vedle frakce PM2.5 měla i PM1 být zahrnuta do seznamu legislativních standardů a monitorována jako polutant představující jemnou frakci atmosférického aerosolu. Pronikání hrubé frakce do PM2.5 může vést k nepřesnostem v identifikaci zdrojů znečištění a v epidemiologických či expozičních studiích. Cílem této práce bylo prozkoumat vztah mezi PM1-2.5 a hrubou (PM2.5-10 nebo PM>2.5)/jemnou (PM1) frakcí během odlišných meteorologických podmínek v zimních a letních sezónách a na různých lokalitách v České republice. Úvod a cíl 2. projektu. Imisní limity stanovené Evropskou unií jsou dlouhodobě překračovány v Ostravském regionu, ve kterém je kvalita ovzduší jedna z nejhorších v Evropě. Cílem druhého projektu bylo porovnat kvalitu ovzduší na dvou residenčních lokalitách, příměstské (Plesná) a městské průmyslové (Radvanice), která se nachází v blízkosti hutního areálu (výroba železa a oceli), dále odhadnout zdroje znečištění ovzduší a určit jejich lokální či regionální původ. Metodika. Koncentrace velikostně rozděleného atmosférického aerosolu byly měřeny pomocí kaskádních impaktorů a standardních referenčních vzorkovačů (PM1 a PM10). Soubor dat obsahoval jak měřící kampaně uskutečněné během této práce (2014 – 2015) tak kampaně již dříve provedené (2005 – 2010). Měřící lokality byly charakterizovány jako městské, příměstské a venkovské a vzorkování bylo prováděno v letních a zimních sezónách. Chemické analýzy vzorků (vodě rozpustné ionty, elementy, uhlíkové částice) byly provedeny na vzorcích z let 2014 – 2015. Online přístroje vzorkující početní koncentrace částic s krátkou integrační dobou byly použity v meteorologických analýzách (porovnání se směrem a rychlostí větru). Data byla zpracována pomocí několika typů statistických metod: neparametrická korelační analýza, mnohonásobná lineární regrese (MLR) a positive matrix factorisation (PMF). Výsledky 1. projektu. Medián podílu PM1-2.5 v PM10 and TSP (celkové množství suspendovaných částic) byl 6 – 9% v létě a v zimě. PM1-2.5 tvořila vyšší podíl PM2.5 v létě. Statistické analýzy zjistili významný vztah mezi PM1-2.5 a hrubou frakcí ve všech typech prostředí, zatímco významný vztah mezi PM1-2.5 a PM1 byl pozorován jen v některých. Na základě chemických analýz vzorků z vybraných kampaní bylo zjištěno, že v zimě byla hrubá frakce a PM1-2.5 významně ovlivněna prvky zemské kůry (hlavně Si, Fe a Ca) na všech lokalitách, zatímco S dominovala mezi stanovenými prvky především v jemné frakci a částečně i v PM1-2.5 v příměstských lokalitách. V průmyslové lokalitě bylo významné ve všech třech frakcích Fe, které pocházelo z blízkého metalurgického zdroje. Koncentrace SO42- (indikátor jemné frakce) byly vyšší než Ca2+ (indikátor hrubé frakce) v PM1-2.5 na většině míst v zimě. V létě byly významně zastoupeny prvky zemské kůry v PM1-2.5 a hrubé frakci, zatímco S byla výzmnamně zastoupená v jemné frakci. Koncentrace SO42- v PM1-2.5 a hrubé frakci byly nižší než v zimě. Vypočítaný faktor obohacení (EF; enrichment factor) PM frakcí jednotlivými prvky pocházejícími z antropogenních zdrojů a analýza směru a rychlosti větru pomohla odhalit potenciální zdroje jednotlivých frakcí. Z našich zjištění vyplývá, že PM1-2.5 byla ovlivněna zdroji hrubé frakce. Vliv zdrojů jemné frakce byl patrný v podmínkách zvýšené relativní vlhkosti (zima a deštivé období). Z tohoto důvodu by mělo být uvažováno o implementaci PM1 standardu jako dodatečné jemné frakce do legislativy ochrany ovzduší. Výsledky 2. projektu.Vyšší průměrné koncentrace PM10 byly zjištěny v Radvanicích než v Plesné, zatímco koncentrace PM1 byly na obou místech podobné. Analýza PMF odhalila 6 zdrojů PM10 a 5 zdrojů PM1 na obou lokalitách. V Radvanicích dosahovaly koncentrace většiny stanovených chemických látek podobné úrovně při jihozápadním a severovýchodním proudění větru. Hlavní zdroje představoval průmysl (43% podílu v PM10 a 27% v PM1), který pocházel z metalurgického komplexu nacházejícího se jihozápadně od měřící stanice, a spalování biomasy (25% podílu v PM10 a 36% v PM1). V Plesné byly koncentrace PM a chemických látek výrazně vyšší při severovýchodním proudění a nejvyšší za celé sledované období na obou lokalitách. Sekundární anorganické aerosoly představovaly v Plesné největší podíl zdrojů v obou frakcích. To poukazuje na regionální transport znečištění pocházející z významné industriální oblasti nacházející se v polském Slezsku. Spalování biomasy přispívalo 22% do PM10 a 24% do PM1. Závěrem lze říci, že kvalita ovzduší v Ostravě během našeho měsíčního měření byla ovlivněna lokálními zdroji a významně také regionálním transportem znečištění. Problém týkající se znečištění ovzduší v tomto regionu je komplexní, a proto je potřeba zajistit těsnější spolupráci obou států, České republiky a Polska, k dosažení snížení úrovně znečištění.
Abstract v angličtině:
Abstract This dissertation includes two main research projects: 1) the investigation of the intermodal fraction and 2) the influence of regional air pollution transport on Ostrava. Introduction and aim of the first project. Fine and coarse particulate matter (PM) of atmospheric aerosol are considered as separate pollutants and overlap in the particle size range of about 1 – 2.5 μm (aerodynamic diameter dae; PM1-2.5) which represents the intermodal fraction. Sources of both fine and coarse fractions contribute to PM1-2.5 to different extents due to changing meteorological and spatial conditions. Therefore, there is an ongoing discussion as to whether PM1 should be included for monitoring as an additional fine particulate pollutant by the ambient air quality standard. The intrusion of the one fraction to the other one can lead to some inaccuracies in the source apportionment, epidemiological and exposure studies. The aim of the first project was to examine the associations between PM1-2.5 and the coarse (PM2.5-10 or PM>2.5)/fine (PM1) fraction under different meteorological conditions at various sites in the Czech Republic during winter and summer seasons. Introduction and aim of the second project. The EU air quality standards have been frequently exceeded in one of the European air pollution hot spots: Ostrava. The aim of the second project was to compare the pollution level at an urban site (Radvanice), which has a nearby metallurgical complex, and a suburban site (Plesná) to estimate air pollution sources and determine their local and/or regional origins. Methods. The measurement of size-resolved mass concentrations of PM was performed with cascade impactors and standard reference samplers (PM1 a PM10). The collected dataset included both sampling campaigns performed during these two research projects (2014 – 2015) and previous research (2005 – 2010). The sampling sites were characterised as urban, suburban, and rural and the measurement was conducted mainly during the summer and winter seasons. Chemical analyses were used to determine the ion, elemental, and carbonaceous particulate composition (only samples from 2014 – 2015). The online sampling of particle number concentration with short integration time was employed for meteorological analyses. Several types of statistic methods: nonparametric correlation analysis, multiple linear regression (MLR), and positive matrix factorisation (PMF) were used. Results of the first project. The median for the share of PM1-2.5 in PM10 or TSP (total suspended particles) was 6% – 9% in summer and winter. PM1-2.5 accounted for a higher mass portion of PM2.5 during summer. Statistical analyses confirmed a significant relationship between PM1-2.5 and the coarse fraction in all environments. However, the significant relationship between PM1-2.5 and PM1 was identified in only several environments. In winter, based on chemical analyses applied to samples from selected campaigns, crustal elements (mainly Si, Fe, and Ca) significantly influenced the coarse fraction and even PM1-2.5 at all sites, while S was significant in PM1-2.5 and the fine fraction at suburban sites. At the urban industrial site, Fe was dominant in all three fractions due to a nearby metallurgical complex. The winter median SO42- concentration (as a tracer of the fine fraction) was higher than the Ca2+ concentration (as a tracer of the coarse fraction) in PM1-2.5 at a majority of the sites. In summer, crustal elements were important in both, the PM1-2.5 and the coarse fraction, while S still dominated in PM1. The median SO42- concentrations in the PM1-2.5 and the coarse fraction were significantly lower than in winter. The enrichment factors and wind speed direction analysis helped to reveal potential air pollution sources. To conclude the results of the first research project, the PM1-2.5 was influenced by the sources of the coarse fraction in Central Europe. The additional significant influence of sources producing the fine fraction was evident under increased relative humidity conditions. Therefore, PM1 should be considered by the air quality standard as an additional fine particulate pollutant. Results of the second project. Higher average PM10 concentration was measured in Radvanice than in Plesná, whereas the PM1 concentrations were similar at both sites. A source apportionment analysis revealed six and five sources for PM10 and PM1, respectively. In Radvanice, the amount of PM and most of the chemical species were similar under SW and NE WD. The main sources were industry (43% for PM10 and 27% for PM1), due to a large metallurgical complex located to the SW, and biomass burning (25% for PM10 and 36% for PM1). In Plesná, the concentrations of PM and all species significantly increased under NE WD conditions and were the highest during the whole measurement campaign at both sites. Secondary inorganic aerosols (SIAs) dominated (54% and 56%, respectively), with the highest contributions from the NE WD. Therefore, regional pollution transport from the industrial area of the Silesian Province (Poland) was evident. Biomass burning contributed 22% and 24% to PM10 and PM1, respectively. The air quality in Ostrava was influenced by local sources and regional pollution transport. The issue of poor air quality in this region is complex. Therefore, the international cooperation from both states (the Czech Republic and Poland) is needed to achieve a reduction in air pollution levels.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Jana Kozáková 18 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Jana Kozáková 142 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Jana Kozáková 95 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Jana Kozáková 385 kB
Stáhnout Posudek oponenta doc. Ing. Michal Vojtíšek, Ph.D. 53 kB
Stáhnout Posudek oponenta Mgr. Radovan Krejci 631 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 1.09 MB