Repülıtéri légszennyezés vizsgálata Összefoglalás Témavezetı: Török Szabina 2009.07.08.
Bevezetı
Általánosságban elmondható, hogy a növekvı forgalom következtében a repülıtereken a zajszennyezés mellett a repülıterek légszennyezése is jelentıssé válik. Nagyobb forgalmú nemzetközi repülıtereken már végeznek folyamatos illetve kampányszerő méréseket. A repülıterek emissziós forrásai: repülıgépek, gépkocsik (utazóközönség, beltéri gépkocsi forgalom), GPU, stb. Forráskarakterisztikájuk speciális, melynek következtében a mérésekhez speciális berendezésekre van szükség. A földi jármővek kibocsátása általában jól ismert, repülıgépek kibocsátására mindösszesen az 1993-as ICAO adatbázis lehet irányadó. Elmúlt 5-10 év kutatásai ennek kiegészítésére, hibáinak folyamatos korrigálására vonatkoznak.
Mérések
A mérések célja egy monitoring rendszer kiépítéséhez szükséges tanulmány elvégzése, valamint a repülıtérspecifikus vegyületek vizsgálata volt. A vizsgált komponensek: NOX, CO, SO2, O3, PM10, PM2.5, BC, aeroszolok kémiai összetétele, méreteloszlása
Mérési helyszínek úgy lettek kiválasztva, hogy mind az egyes források emisszióját mind a levegıminıséget tudjuk vizsgálni. 4 intenzív mérési kampány (2006 tél, tavasz, nyár, 2008 nyár) mellett bizonyos berendezések folyamatos üzemelését biztosítottuk a 3 év során. A szennyezıanyag komponensek vertikális eloszlásának valamint kisskálájú légköri folyamatok hatásainak vizsgálatára kutatórepülıgépet terveztünk és végeztünk vele méréseket Budapest felett.
m
Modellezés
A modellezés célja a mérések kiegészítése, hatástanulmányok készítéséhez alkalmas verifikált modell felállítása Alkalmazott diszperziós modell: EDMS (Emission and dispersion Modelling System) Speciálisan repülıtéri környezetre lett fejlesztve, amely a repülıtéri forgalom és kiszolgálás (gurulóutak, felszállópályák, kiszolgálás, APU, GPU, stb) speciális karakterisztikáinak beépítését jelenti. A repülıtér területére vonatkozó adaptálást (kifutópályák, guruló utak, autó utak, pontforrások, épületegyüttesek definiálása) elvégeztem. A modell futtatását az OMSZ munkatársai végzik Input adatok:. Meteorológia + forgalmi adatok Beépített forráserısségek CO, NOX, SO2, NMHC, THC, VOC, PM2.5, PM10 Csak járulék meghatározására alkalmas!
Eredmények: általános állapot, várossal összehasonlítva Téli, 1 hetes kampány során a repülıtér „középpontjában”, nem közvetlenül a források mellett is végeztünk méréseket Hagyományos komponensek Városi értékkel összehasonlítva:
CO, 2006.01. SO2, 2006.01. 2500 25
Budapest Repülıtér
Budapest
2000
Repülıtér
ug/m3
15
1500 1000
10
500 5
0 0
08 08
09
10
11
12
13
14
15
16
09
10
11
17
12
13
14
15
16
17
idı (dd)
idı (dd)
Határérték (órás átlag): 250
Határérték (órás átlag): 10000 µg/m3
µg/m3
O3, 2006.01.
PM10, 2006.01. 250
Budapest Repülıtér
200
70
Budapest
60
Repülıtér
50 ug/m3
ug/m3
ug/m3
20
150 100
40 30 20
50
10
0
0 08
09
10
11
12
13
14
15
16
idı (dd)
Határérték (órás átlag): 50 µg/m3
17
08
09
10
11
12
13
14
15
16
idı (dd)
Határérték (8 órás átlag): 120 µg/m3
17
Eredmények: általános állapot, várossal összehasonlítva NOx, 2006.01.
NO, 2006.01.
600
Budapest
300
Repülıtér
500
Repülıtér
250 200 ug/m3
400 ug/m3
Budapest
300
150
200
100
100
50 0
0 08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
idı (dd)
idı (dd)
Határérték: jelenleg nincs
Határérték (órás átlag): 200 µg/m3 NO2, 2006.01. 140
Budapest
120
Repülıtér
Ózon kivételével valamennyi komponens órás átlagban kisebb mint a városi átlag
ug/m3
100 80
Határérték túllépés szignifikánsan csak PM10 esetén figyelhetı meg. NOX esetén is van határérték túllépés
60 40 20 0 08
09
10
11
12
13
14
15
16
idı (dd)
Határérték (órás átlag): 100 µg/m3
17
Eredmények: aeroszol - általában PM2.5 és PM10 koncentráció a repülıtéren (1 órás átlag) 2007.03.
koncentráció (ug/m3)
Mivel az aeroszol részecskék kémiai összetétele valamint tömeg/méretszerinti eloszlása repülıtéri környezetben nem ismert ezért ennek vizsgálatára külön hangsúlyt fektettünk. PM10 koncentráció nagysága egészségügyi szempontból a legkritikusabb Ferihegy repülıtéren.
140
PM2.5
120
PM10
100 80 60 40 20 0 27
04
09
14
19
24
idı (dd)
6000 FELSZÁLLÁS 5000
100
Budapest
80
Repülıtér
60 40 20 0 27
04
09
14
19
24
idı (dd)
3
Korom (ng/m )
4000
PM2.5 koncentráció (1 órás átlag) 2007.03. koncentráció (ug/m3)
2-es Terminálon elhelyezett konténerben folyamatos PM10 és PM2.5 mérést biztosítottunk 2007-tıl. Kismérető részecskék dominánsak, a városi értékekkel összehasonlítva a PM2.5 esetén magasabb értékeket kaptunk, mint a belvárosban
3000 LESZÁLLÁS
LESZÁLLÁS 2000
1000
0 12:43
12:57
13:12
13:26
13:40
13:55
14:09
14:24
14:38
ICAO adatbázisban a BC-nek kiemelt szerepe van Felszállópálya mellett végzett mérések alapján csak a felszálló gépekhez tudtunk egyértelmő kibocsátást rendelni
Eredmények: CO, másodlagos aeroszol képzıdés A 3 forgalmi csúcs egyértelmően beazonosítható. CO napközben a keveredési réteg megnövekedése miatt felhígul, így a talajmenti koncentráció a kibocsátás mértékéhez képest kisebb értékeket mutat. Ugyanakkor a részecskeszám jelentısen megnövekszik, amely a másodlagos aeroszolok megjelenését bizonyítja részecske szám
0,35
CO cc
60000
0,3
50000
0,25
40000
0,2
30000
0,15
20000
0,1
10000
0,05
0
0 0
5
10
15 idı (óra)
Terasz (2008 nyár) napi átlagok
20
25
ppm
db/cm3
70000
Eredmények: gázok – NO, NO2, O3 A repülıtér területének egyik „forró pontja” a 2-es Terminál (legtöbb forrás, emberi mozgás) 2008 szeptemberében az integetı teraszra telepített monitoring állomás adatai statisztikai elemzéshez kellı idıtartamban rendelkezésre állnak. NO és NO2 tipikus napi trendjében jól beazonosíthatóak a forgalmi csúcsok következtében bekövetkezı koncentráció-növekmények.
NO
2008.06.25-07.05
NO2 O3
NO, NO2 cc (ug/m3)
30
60
25
50
20
40
15
30
10
20
5
10
0
O3 cc (ug/m3)
A terminál környezetében egyértelmően az NO2 –amely az egészségre károsabb – domináns.
0 00
02
04
07
09
12
14
16
19
21
00
idı (hh)
NO
NO m/s
µg/m3
2
m/s
µg/m3
3D szennyezési rózsák segítségével lehetıvé válik az eltérı helyszínekrıl érkezı szennyezıanyagok beazonosítása. NO és NO2 között nincs szignifikáns eltérés Kb 30°-nál NO csúcs, míg NO2-nél hiányzik, mely a kiszolgáló terület kibocsátásának illetve NO2/NO átalakulásnak tudható be.
Eredmények: aeroszolok – repülıgép specifikus Felszállópálya mellett May impaktorral méretfrakcionált aeroszol mintát vettünk, amely perces mintavételezéső minta kémiai analízisét teszi lehetıvé. Si-lapkára vett minták kémiai elemzését SR-TXRF analízissel végeztük el. A nyomelemanalízis eredményei alapján kijelenthetjük, hogy az összetétel a városi környezetétıl eltérı. Kiugróan magas értékeket réz esetén tapasztaltunk, amely a –gépkocsi fékkopásához hasonlóan– a repülıgépek fékkopásából származhat.
Nehézfémek méretfrakciók szerinti koncentrációértékei
Publikáció: Groma, V., Osán, J., Török, S., Meirer, F., Streli, C., Wobrauschek, P., Falkenberg, G. (2008). Trace element analysis of airport related aerosols using SR-TXRF Idıjárás, 112, 83-97.
Eredmények: aeroszolok – repülıgép specifikus, gumi részecskék
May impaktorral vett mintákat Raman-spektroszkóppal illetve pásztázó elektronmikroszkóppal is vizsgáltuk, hogy beazonosítsuk a landoláskor a légkörbe kerülı gumi részecskéket. Ismert, mesterségesen elıállított mintát hasonlítottunk össze a terepi mintával
350 S-Ka
300
net X-Ray intensity
250
200
150
100
50
Zn-Ka
0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Energy (keV)
Ratio of D and G
Két csúcs nagysága közelítıleg EPMA mérések során Zn illetve S peaks of graphite megegyezik, K-vonalai alapján beazonosítható, tehát Raman-spektroszkópia a szakirodalomból ismert segítségével a gumi részecskék gépkocsi gumikhoz hasonlóan beazonosíthatóak
Eredmények: DOAS – NO2 DOAS (Differential Optical Absorption Spectrosopy) segítségével a közvetlenül mérhetı a mozgó jármő emissziója. Korábban gépkocsi illetve guruló úton történtek mérések, Ferihegy repülıtéren lehetıség nyílt a felszállópályán keresztüli mérésre is (2006 aug.-2007 máj.) 30 másodperces mintavételezési idıvel, csak NO2 2006.06.09. A1, NO2 koncentráció
u g /m 3
DOAS 250
légátszívás
200
felszállás
150 100 50 0 23:45
00:57
02:09
03:21
04:33
05:45
06:57
08:09
09:21
10:33
idı (hh:mm)
31L-NO2 koncentráció 70
DOAS felszállás légátszívás
60 ug/m3
50 40 30 20 10 0 14:38
14:52
15:07
15:21 idı (hh:mm)
15:36
15:50
16:04
Párhuzamos in situ és nyílt fényutas mérések eredményei alapján megállapíthatjuk, hogy „megfelelı” szélirány esetén sem minden esetben alkalmas a csóvadetektálásra a forrástól kb. 100 méteres távolságban elhelyezett légátszívásos berendezés.
Eredmények: DOAS- emissziós kataszter Repülıgépek okozta NO2 koncentráció növekmény
L
30
M
H
25
Az egyes gépek okozta NO2 növekményt közel 200 géptípusra Meghatároztam.
ug/m3
20 15
Emissziós index nem arányos a koncentráció növekménnyel.
10 5 0 A306 A30B B744 B763 L101 AN12 BE40 F27 AN26 AT43 CL60 DH8D C560 CRJ2 B462 B463 H25B F900 SB20 C56X F100 B736 E135 B737 B735 T154 A319 B733 A320 B738 MD82 B753 B752 BE20 DA42 H500 L410 C25A C550 C172 C525 MI2 PA34 C402
géptipus
31L ponton startoló repülıgéptipusok száma a mérési idıszakban 3500
Ezen eredmények segítségével pontosabb képet kaphatunk a repülıgépek NO és NO2 kibocsátásáról, amely a diszperziós modellek pontosságának javítását is elısegíti.
3000 ug/m3
2500 2000 1500 1000 500 0 A306 A30B B744 B763 L101 AN12 BE40 F27 AN26 AT43 CL60 DH8D C560 CRJ2 B462 B463 H25B F900 SB20 C56X F100 B736 E135 B737 B735 T154 A319 B733 A320 B738 MD82 B753 B752 BE20 DA42 H500 L410 C25A C550 C172 C525 MI2 PA34 C402
géptipus
Publikáció elıkészületben: V. Groma, Sz. Török, K. Schaefer:Aircraft originated NO2 emission during take off using long term open path measurement, Environmental Science and Technology
Eredmények:DOAS- 3D szennyezési rózsa m/s
m/s
µg/m3
µg/m3
Nappal
Éjjel
A repülıgépek közvetlen kibocsátásának kiszőrésével (amely jelen esetben a gép felszállása utáni 3 perc mérési adatainak törlését jelenti) kapjuk a felszállópályán az NO2 re vonatkozó 3D szennyezési rózsákat, mely alapján a nappali illetve éjszakai periódusokra beazonosíthatjuk a jelentıs forrásokat, amelyek hatásai több 100 méteres mérési pontban detektálhatók: 1. Mind nappal mind éjszaka a 4-es fıút illetve a belterületi gépkocsi forgalom 2. Nappal 2-es Terminál területe illetve 1-es felszállópálya 3. 1-es Terminálnak nincs hatása 4. Mérési pontban a gépek kibocsátásának „utóhatása”
Eredmények: modellezés Modell segítségével a repülıtér okozta terhelés növekmény számítható, illetve a repülıtér forrópontjai beazonosíthatók.
Modell vs Mérés, PM2.5 18 16
EDMS
14 12 10 8 6 4
ug/m3
ug/m3
Mérés 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
2 0 27
04
09
14
19
24
29
03
idı (dd)
Éves átlagos NOX koncentráció eloszlás (2006-os alapállapot) a Ferihegyi repülıtér közvetlen környezetében.
2008.10.09. terasz
mérés modell
ug/m3
300 A modellezési eredmények verifikációja a mérési 250 eredményekkel való összevetéssel történt meg. 200 150 1. NOX esetén nagy forgalmi csúcsokban kismértékő 100 túlbecslés tapasztalható, a többi esetben viszont alul becsül, 50 0 de háttérértékek nincsenek beleszámolva 00:00 04:48 09:36 14:24 2. PM2.5 esetén jelentıs alulbecslés, mely 2 okra vezethetı idı (hh:mm) vissza: gépkocsi kibocsátásnak emissziós adatbázisa hibás, valamint, hogy a másodlagos aeroszol képzıdés a modellben nincs figyelembe véve
19:12
00:00
04:48
Repülıgépes mérések A talajmenti mérések során felmerült az igény, hogy a légszennyezı komponensek vertikális eloszlását is vizsgáljuk, melynek segítségével a légköri fel és leáramlási folyamatok hatásai megismerhetık. Ehhez egy kutatórepülıgépet állítottunk össze. Mérések során biztosítani kell az izokinetikus mintavételt. A mért komponensek: CO, O3, BC, részecske méreteloszlás, meteorológia Útvonal: É-D irányban több magasságban,több napszakban 2008.09.11. O3
2008.07.30. O3
Repülıgép
Budapest
Budapest
120
140 100
ug/m3
ug/m3
120 80 60
2008.07.30. CO Repülıgép
100
1000
80
800
60 40
40
200
0
10
11
12
13
14
15
idı (öra)
Repülési magasság: 1000, 700, 400m
600 400
20
20 0
Budapest
1200
ug/m3
160
Repülıgép
07
08
09
10
0 07
idı (óra)
08
09 idı (óra)
konstans 500 m
Hajnali órákban a keveredési réteg felett a talajmenti értékek 3-4-szerese az ózonkoncentráció, míg ez a különbség a nappali órákra kiegyenlítıdik. CO esetén ilyen különbség nem tapasztalható
Repülıgépes mérések: aeroszolok 2008.09.11. 250 nm 1,2
1800
magasság
1600 1400
0,8
1200 1000
0,6
800
0,4
600 400
0,2 0 13:55
m
db cm-3/db cm-3
1
700 nm
200 14:24
14:52
15:21
15:50
16:19
16:48
17:16
0 17:45
Nagy méretfelbontású méretfrakcionált aeroszol mérések lehetıvé tették Szahara eredető aeroszol részecskék detektálását
idő (hh:mm)
2008.07.30. 160000 140000
50
120000 40
100000
30
80000 60000
250 nm
20
ózon
40000
4 per. Mov. Avg. (ózon)
10
20000
2 per. Mov. Avg. (250 nm) 0 6:43
7:12
7:40
8:09
8:38
9:07
0 9:36
idő (óó:pp)
Publikáció elıkészületben: B. Alföldy, V. Groma, A. Nagy, A. Czitrovszky :Vertical distribution of air pollutants over Budapest city based on aircraft measurements, Atmospheric Environment
db/l
ug/m3
Állandó magasságban végzett reggeli repülés során azt tapasztaltuk, hogy a feláramlási zónákban növekszik a részecske szám, amely a szennyezett levegı vertikális szállítódását mutatja.
60
Összefoglalás Repülıtér légszennyezettségi terheltségének mértékét feltérképeztük, a monitoring rendszer kiépítésére javaslatok megfogalmazódtak Megvizsgáltuk a repülıtéren kritikus az egészségre ártalmas komponenseket (PM, NO2) Repülıtér-specifikus aeroszol komponenseket mutattam ki: gumi, fékpofák kopása Repülıgéptípusokhoz tartozó NO2 növekedésre vonatkozó katasztert elkészítettem Mérési módszerekre vonatkozó eredmények: 1. Mozgó források kibocsátásának mértékének meghatározására nem minden esetben jó módszer a relatíve távoli in-situ mérés 2. Rövid mintavételezési idıt igénylı May-impaktor alkalmas a repülıgép-specifikus aeroszolok detektálására Repülıtér területére eredményes modell-futtatások, mely emissziós adatbázisát korrigálásának szükségességét kimutattam Másodlagos aeroszol képzıdés jelentıségét bizonyítottam Vertikális profil mérésekhez kutatórepülıgép megtervezését elvégeztem, bizonyítottuk a mérések helyességét, valamint, hogy a kisskálájú légköri feláramlásoknak másodlagos aeroszol képzıdést elısegítı hatása van
Publikációs lista Publikáció V. Groma, J. Osán, S. Török, F. Meirer, C. Streli, P. Wobrauschek, G. Falkenberg: Trace element analysis of airport related aerosols using synchrotron radiation total reflection X-ray spectrometry, Idıjárás, 2007, Vol. 112, No.2., 83-97 Konferencia anyagok V. Groma, J. Osán, A. Alsecz, S. Török, F. Meirer, C. Streli, P. Wobrauschek, G. Falkenberg. Trace element analysis of airport related aerosols using SR-TXRF. 12th Conference on Total Reflection X-Ray Fluorescence Analysis and Related Methods, 18–22 June 2007, Povo (Trento), Italy. V. Groma, B. Alföldy, J. Osán, S. Kugler, M. Kalocsai. Impact of the airport related traffic on the urban particulate pollution. European Aerosol Conference, 9th-14th Sept. 2007, Salzburg, Austria. K. Schäfer, G. Schürmann, C. Jahn, C. Matuse, H. Hoffmann, E. Takacs, B. Alföldy, V.Groma, Sz. Kugler: Budapest airport air quality long-term studies by remote sensing with DOAS and FTIR with focus upon runway emissions, Proceeding of SPIE meeting, 2007 Schürmann, G., K. Schäfer, C. Jahn, H. Hoffmann, V. Groma, S. Török, S. Emeis, Airport air quality and emission studies by remote sensing and inverse dispersion modelling, Proceedings of SPIE, Vol. 6362: Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI, (2006). Schürmann, G., Schäfer, K., Jahn, C., Hoffmann, H., Groma, V., Török, S., Emeis, S.: Airport air quality studies by remote sensing and inverse dispersion modelling. In: Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI, Remote Sensing, An SPIE Europe Event, Stockholm, Sweden, 11. – 16.09.2006, James R. Slusser, Klaus Schäfer, Adolfo T. Comeron (eds.), Proceedings of SPIE, Bellingham, WA, USA, Vol. 6362 (2006), 63621E-1, doi: 10.1117/12.695821. V. Groma, J. Osán, S. Török C. Streli, P. Wobrauschek, F. Meirer, G. Falkenberg (2006), Trace element analysis of fine aerosol particles with high time resolution using SR- TXRF. EXRS 2006, European Conference on X-Ray Spectrometry, June 19-23, 2006 – Paris, France, Poster presentation J. Osán, V. Groma, E. Stefaniak, A. Worobiec, S. Török, M. K. Rasztoczky, S. Kugler, R. V. Grieken (2006), Microcharacterization and identification of tire debris of airplanes. EXRS 2006, European Conference on X-Ray Spectrometry, June 19-23, 2006 – Paris, France, Book of abstract. G. Schuermann, K. Schaefer, S. Emeis, S. Torok, V. Groma, Application of Bayesian Inverse Methods to Determine Emission Strengths on the Airport Budapest, 8th International Conference on Emissions Monitoring, 5-6 Sep. 2007, Zürich, Swizerland. B. Alföldy, V. Groma, E. Börcsök, A. Nagy, A. Czitrovszky, S. Török Determination of vertical distribution of air pollution over Budapest by aircraft based measurements Témavezetés (NyMo) egyetemi szakdolgozat Takács Edina: Nagy idıfelbontású NO2 mérés a Ferihegyi repülıtéren nyílt fényutas spektrofotometriás berendezés segítségével
