Časové změny velikostního rozložení částic a jejich depozice v dýchacím traktu Josef Keder
[email protected]
Data • Stanice AIM Ostrava-Fifejdy analyzátor GRIMM, PM10, meteorologie • Grimm a meteo 31.5.13 – 28.2.14 • PM10 31.5.13 – 31.10.13 • Hodinové údaje
Metoda • Počty částic v jednotlivých velikostních kategoriích GRIMMu transformovány na
dN/d(logDp)/1cm3 a
dN/d(logDp)/1cm3/N • Vztaženy ke středům velikostního rozpětí kategorií GRIMMu a různě analyzovány
Změny velikostního rozložení částic 1.11.2013 – 28.2.2014
Změny rozložení částic během dne 25.10.2013
Klasifikace typů rozložení • Rozložení absolutních počtů částic v závislosti na velikosti vykazuje vysokou variabilitu • Pro hledání nějakých vztahů a zákonitostí nutno problém zjednodušit • Shluková (cluster) analýza • Metoda vícerozměrné statistiky, hledá podobnost mezi objekty, charakterizované nějakými znaky, a objekty sobě podobné sdružuje do shluků (typů) • Objekty – velikostní rozložení dN/d(logDp)/1cm3/N pro jednotlivé hodiny • Znaky – relativní četnosti pro jednotlivé třídy velikostí • SW STATISTICA, metoda K-means; subjektivní odhad 4 shluky (nutno použít objektivní postup stanovení počtu shluků, existují)
Shluky rozložení částic 0.5
Relativní četnost výskytu
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0.29
0.375 0.475 0.615
0.75
1.15
Průměr částice
1.8
2.6
3.75
5.75
Shluk Shluk Shluk Shluk
1 2 3 4
Shluky rozložení částic logaritmické měřítko osy Dp
Časové změny výskytu shluků (typů rozložení)
Časové změny typů 25. – 31.10.2013
PM10 versus shluk Krabicový graf z PM10_TOFFA seskupený Shluk 140
Hodinová koncentrace PM10 TOFF
120
100
80
60
40
20
0
-20 1
2
3 Shluk
4
Medián 25%-75% 5%-95%
Histogramy PM10 versus shluk Histogram z PM10_TOFFA; kategorizovaný Shluk 26% 22% 19% 16% 13% 10% 6%
Procento pozorování
3% 0% 20
60 40
80
100 140 180 220 260 300 120 160 200 240 280
20
60 40
80
Shluk: 1
100 140 180 220 260 300 120 160 200 240 280 Shluk: 2
26% 22% 19% 16% 13% 10% 6% 3% 0% 20
60 40
80
100 140 180 220 260 300 120 160 200 240 280
20
Shluk: 3
60 40
80
100 140 180 220 260 300 120 160 200 240 280 Shluk: 4
PM10_TOFFA
Teplota versus shluk Krabicový graf z T2m_Celsius seskupený Shluk 35
30
T2m_Celsius
25
20
15
10
5
0 1
2
3 Shluk
4
Medián 25%-75% 5%-95%
Histogram T2m versus shluk Histogram z T2m_Celsius; kategorizovaný Shluk 16% 13% 10% 6%
Procento pozorování
3% 0% -30
-20 -10 0 10 20 30 40 -25 -15 -5 5 15 25 35
-30
-20 -25
Shluk: 1
-10 0 10 20 30 40 -15 -5 5 15 25 35 Shluk: 2
16% 13% 10% 6% 3% 0% -30
-20 -10 0 10 20 30 40 -25 -15 -5 5 15 25 35 Shluk: 3
-30
-20 -25
-10 0 10 20 30 40 -15 -5 5 15 25 35 Shluk: 4
T2m_Celsius
RH versus shluk Krabicový graf z h_TOFFA seskupený Shluk 100
90
Relaticní vlhkost vzduchu [%]
80
70
60
50
40
30
20 1
2
3 Shluk
4
Medián 25%-75% 5%-95%
Histogram RH versus shluk Histogram z h_TOFFA; kategorizovaný Shluk 11% 10% 8% 6% 5% 3%
Procento pozorování
2% 0% 10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
10
20
30
40
Shluk: 1
50
60
70
80
90 100
70
80
90 100
Shluk: 2
11% 10% 8% 6% 5% 3% 2% 0% 10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Shluk: 3
10
20
30
40
50
60
Shluk: 4
h_TOFFA
Výskyt shluků (typů) pro kombinace T a RH Bodový graf z h_TOFFA proti T2m_Celsius; kategorizovaný Shluk 100 80 60 40 20
h_TOFFA
0 -10
0
10
20
30
40
50 -10
0
10
Shluk: 1
20
30
40
50
30
40
50
Shluk: 2
100 80 60 40 20 0 -10
0
10
20
30
40
50 -10
Shluk: 3
0
10
20 Shluk: 4
T2m_Celsius
Depozice částic v dýchacím traktu • Částice suspendované v ovzduší se do lidského těla dostávají dýcháním. • Dýchací systém funguje v podstatě jako filtr. • Viskózní povrch dýchacích cest zaručuje, že částice, které se s ním dostanou do kontaktu, na něm ulpívají bez možnosti další vstupu do procesu. • Částice vstupující do dýchacího traktu deponují v důsledku působení různých depozičních mechanizmů (http://aerosol.ees.ufl.edu): impakt usazování difuze – Brownův pohyb vzpříčení (protáhlé částice) • Pochopení mechanizmu depozice částic v dýchacím traktu člověka umožňuje indikovat „špatný“ aerosol s fatálními důsledky pro zdraví lidí, který musí být regulován přednostně.
18
Části dýchacího traktu člověka podle modelu ICRP
19
Rovnice modelu ICRP • Podíl depozice částic v hlavových částech (DFHA), průduškách (DFTB) a v oblasti alveol (DFAL) v závislosti na (aerodynamickém) průměru částic dp
20
Depozice v dýchacím traktu podle modelu ICRP DF – deposition fraction HA – head TB – trachea, bronchi AL – alveoli
21
Depozice v dýchacím traktu podle modelu ICRP - důsledky • Částice s průměrem 0.1 – 1 µm deponují s nejnižší účinností • Pro lidské zdraví představují největší nebezpečí jemné částice v intervalu velikostí 0.01 – 0.1 µm. • Usazují se trvale v plicních sklípcích (alveolární část dýchacího traktu). • Na rozdíl od částic deponovaných ve zbylých dvou regionech nemohou být odtud odstraněny žádným mechanizmem, například kašláním. • Nejjemnější částice mohou prostupovat přímo do krevního řečiště.
22
Příklady s využitím modelu ICRP • Předpokládejme stejnou například hmotnostní koncentraci částic PM10 např. 100 µg.m-3 . • Budeme měnit procentuální příspěvek částic různé velikosti k hmotnostní koncentraci PM10 • Depozice v dýchacím traktu stanoveny podle modelu ICRP • Na dalších snímcích zobrazeny Procentuální podíl částic různé velikosti na hmotnostní koncentraci PM10 Podíly frakcí PM1 a PM2.5 v PM10 Depozice v jednotlivých částech dýchacího traktu člověka
23
Příklad 1 Rozložení velikostí částic
Podíly frakcí v PM10 3
1
Podíl %
2
0.36
1.49
PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10
0 0.001
0.01
0.1
1
10
Průměr částice [µm]
98.16
Podíl depozice v dýchacím traktu 0
10
20
Hlava
15.85
Průdušky
15.86
Alveoly
30
40
33.68
24
Příklad 2 Rozložení velikostí částic
Podíly frakcí v PM10
0.001
0.01
0.1
1
50.42
18.33
Podíl %
2.5 2 1.5 1 0.5 0
PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10
10
31.26
Průměr částice [µm]
Podíl depozice v dýchacím traktu 0
10
20
Hlava Průdušky Alveoly
30
40
35.32
4.85
13.97
25
Příklad 3 Rozložení velikostí částic
Podíly frakcí v PM10 6
2
Podíl %
4
9.00 PM1 PM1_PM2.5
0.001
0.01
0.1
1
PM2.5_PM10
51.78
0 10
39.22
Průměr částice [µm]
Podíl depozice v dýchacím traktu 0
10
20
30
Hlava Průdušky Alveoly
40
50
60
70
64.91
4.34
8.75
26
Příklad 4 Podíly frakcí v PM10
Rozložení velikostí částic 0.06
0.001
0.01
0.1
1
6.01
Podíl %
25 20 15 10 5 0
PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10
10
Průměr částice [µm] 93.93
Podíl depozice v dýchacím traktu 0
20
40
Hlava
60
80
100
82.16
Průdušky
3.03
Alveoly
4.25
27
Depozice v AL traktu 1.5.13 – 28.2.14 (chybí malé částice, GRIMM měří od 0.7 µm)
Závislost depozice v AL na PM10 Kategorizováno podle typu rozložení Bodový graf z ALV dep z 1ccm proti PM10_TOFFA; kategorizovaný Shluk 2500 2000 1500 1000
ALV dep z 1ccm
500 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180 0
20
40
60
Shluk: 1
80
100
120
140
160
180
120
140
160
180
Shluk: 2
2500 2000 1500 1000 500 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180 0
Shluk: 3
20
40
60
80
100
Shluk: 4
PM10_TOFFA
Balon Karolína 13.3.2014 Profil počtu částic a teploty
Závěry a doporučení • • • •
Je na ně ještě brzy Spousta skvělého materiálu na hraní Slibné možnosti Pokračovat naznačeným směrem
31
