ROZBOR VÝSLEDKŮ KONTINUÁLNÍHO MĚŘENÍ SPEKTER VELIKOSTÍ ČÁSTIC ANALYZÁTORY GRIMM VE VZTAHU K POTENCIÁLNÍM NEPŘÍZNIVÝM ZDRAVOTNÍM ÚČINKŮM Josef Keder Český hydrometeorologický ústav
Co to je GRIMM? • Analyzátor určený k sledování počtu částic prašného aerosolu v okolním ovzduší. • Hlavní výhoda - schopnost současně měřit tři velikostní frakce PM1 PM2,5 PM10 • Rychlost, výsledky kontinuálně a v reálném čase, minimální časový interval je 6 vteřin • Automatická kontrola a regulace průtoku vzorkovaného vzduchu • Vestavěný senzor teploty, vlhkosti a barometrického tlaku, automatická kompenzace vlhkosti Beroun 2007
2
Princip • Počítání částic prašného aerosolu různých velikostních frakcí pomocí metody ortogonální nefelometrie (měření rozptylu světla v úhlu 90°). • Provádí se průchodem světla velmi úzkým proudem okolního vzduchu. • Zdrojem světla polovodičová laserová dioda emitující laserový paprsek o vlnové délce 685 nm s maximálním výkonem 60 mW. • Fotocitlivou diodou měřeno je rozptýlené světlo v pravém úhlu k původnímu směru paprsku.
• Výstup - aktuální počty částic nebo hmotnostní koncentrace prašného aerosolu v okolním ovzduší v jednotlivých frakcích
Beroun 2007
3
Rozložení hmotnosti částic v závislosti na jejich velikosti (průměru)
Beroun 2007
4
Proč sledování velikostního spektra? • Zdravotní účinky • Depozice v lidských plicích závisí na velikosti částic
• Částice od 3 do10 mikrometrů deponovány převážně v hlavové části traktu • PM2.5 mají tendenci deponovat spíše v průduškách a v plicních sklípcích
Beroun 2007
5
Depozice částic v dýchacím traktu, model ICRP International Commission on Radiological Protection Podíl depozice částic v závislosti na jejich aerodynamickém průměru DF – podíl depozice (deposition fraction) HA – hlava TB – průdušnice, průdušky AL – plicní sklípky
Beroun 2007
6
Co analýza dat GRIMM sledovala?
• Porovnání koncentrací PM10 s měřením AIM • Hledání zákonitostí a struktur v podílech frakcí na celkové koncentraci PM10, časové změny • Vazba na meteorologické podmínky • Odhad depozice v různých částech dýchacího traktu
Beroun 2007
7
Data • Období: 22.9. 2005 až 8.10.2006 • Stanoviště: stanice AIM Ostrava-Fifejdy a Praha-Mlynářka • Data: hmotnostní koncentrace frakcí PM1, PM2.5 a PM10 z GRIMMu, PM10, PM2.5 a další polutanty z AIM, meteorologie (T2M, RH, GLRD, vítr) z AIM Fifejdy
Beroun 2007
8
Porovnání s AIM – korelace, třídy T2M 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -50 0
50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 T 2M: <= -20
GM10
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -50 0
0
T 2M: (-15;-10]
T 2M: (-10;-5]
50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 T 2M: (-5;0]
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -50
T 2M: (-20;-15]
T 2M: (0;5]
T 2M: (5;10]
50 150 250 350 450 -50 50 150 250 350 450 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 T 2M: (15;20]
T 2M: > 20
PM10 Beroun 2007
T 2M: (10;15]
T2M: <= -20 GM10 = 18.832+0.4346*x T2M: (-20;-15] GM10 = 15.7089+0.3936*x T2M: (-15;-10] GM10 = 29.8848+0.3659*x T2M: (-10;-5] GM10 = 16.4124+0.4032*x T2M: (-5;0] GM10 = 10.6472+0.4883*x T2M: (0;5] GM10 = 8.0619+0.5415*x T2M: (5;10] GM10 = 7.0342+0.5617*x T2M: (10;15] GM10 = 7.2305+0.4758*x T2M: (15;20] GM10 = 5.9408+0.5139*x T2M: > 20 GM10 = 8.8332+0.497*x
GRIMM značně podceňuje 9
Porovnání s AIM Praha Mlynářka, PM10 Hmotnostní koncentrace PM 10 - analyzátor GRIMM Mlynářka
300
250
y = 0.5481x + 1.0309 R2 = 0.8895 200
150
100
50
0 0
50
100
150
200
250
300
Hmotnostní koncentrace PM 10 - analyzátor AIM Mlynářka
Beroun 2007
10
Porovnání s AIM Praha Mlynářka, PM2.5 Hmotnostní koncentrace PM 2.5 - analyzátor GRIMM Mlynářka
300
250
y = 0.6216x + 3.7487 R2 = 0.8957 200
150
100
50
0 0
50
100
150
200
250
300
Hmotnostní koncentrace PM 2.5 - analyzátor AIM Mlynářka
Beroun 2007
11
Definovány podíly frakcí z dat GRIMM
Hodinové hodnoty • GM1/GM10 • GM25/GM10 • (GM25-GM1)/GM10 • (GM10-GM25)/GM10
Beroun 2007
12
Rozložení podílů frakcí versus teplota (1) Medián; Box: 25% -75% ; Whisker: 5% -95% 1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
GM25/GM10 GM1/GM10
0.5
Pro nízké teploty je GM25 tvořena převážně GM1
0.4
0.3
0.2 -30
-20
-10
0
10
20
30
40
T2M Beroun 2007
13
Rozložení podílů frakcí versus teplota (2) 1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
Pro nízké teploty je GM25 tvořena převážně GM1
GM1/GM25
0.6
0.5
Medián
25% -75%
5% -95%
0.4 -15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
T2M Beroun 2007
14
Rozložení podílů frakcí versus RH (1) Medián; Box: 25% -75% ; Whisker: 5% -95% 1.0
0.9
Pro vysoké RH roste podíl GM1 na GM25, pokles blízko stavu nasycení
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
GM25/GM10 GM1/GM10
0.3
0.2 40
50
60
70
80
90
100
RH Beroun 2007
15
Rozložení podílů frakcí versus RH (2) 1.1
Pro vysoké RH roste podíl GM1 na GM25, pokles blízko stavu nasycení
1.0
0.9
0.8
0.7
GM1/GM25
0.6
0.5
Medián
25% -75%
5% -95%
0.4 40
50
60
70
80
90
100
RH Beroun 2007
16
Časové změny podílů frakcí IX/05 24 22 20 18
Pravotočivě: GM1/GM10 GM25_GM1/GM10 GM10_GM25/GM10
16 14 12 10
HOUR
8 6 4 2 0 -2 0
5
10
15
20
25
30
DAY Beroun 2007
17
Časové změny podílů frakcí I/06 24 22 20 18 16 14 12 10
HOUR
8 6 4 2 0
Pravotočivě: -2 0 GM1/GM10 (GM10-GM25)/GM10 (GM25-GM1)/GM10 Beroun 2007
5
10
15
20
25
30
DAY 18
Časové změny podílů frakcí IV/06 24 22 20
Pravotočivě: GM1/GM10 (GM10-GM25)/GM10 (GM25-GM1)/GM10
18 16 14 12 10
HOUR
8 6 4 2 0 -2 0
5
10
15
20
25
30
DAY Beroun 2007
19
Existují „typické profily frakcí“? (GM25-GM1)/GM10
GM1/GM10
(GM10-GM25)/GM10
Typické zastoupení frakcí, zleva doprava Typ Typ Typ Typ
1 2 3 4
Použita shluková analýza Nalezeny 4 typy profilů zastoupení frakcí Další analýza pro tyto typy
Beroun 2007
20
Rozdělení depozice PM10 pro jednotlivé typy profilů 1
2
81.1%
77.6%
5.1%
5.3%
13.8%
17.1%
3
75.1%
72.8%
5.4%
5.5%
19.5% Beroun 2007
4
21.7% 21
Časové změny profilů frakcí, IX/05, OS IX / 2005 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
22
Časové změny profilů frakcí, X/05, OS X / 2005 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
23
Časové změny profilů frakcí, XI/05, OS XI / 2005 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
24
Časové změny profilů frakcí, XII/05, OS XII / 2005 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
25
Časové změny profilů frakcí, I/06, OS I / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA Beroun 2007
26
Časové změny profilů frakcí, I/06, PG Mlynářka I/2006 30
25
DEN
20
15
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA Beroun 2007
27
Časové změny profilů frakcí, II/06, OS II / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
28
Časové změny profilů frakcí, III/06, OS III / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
29
Časové změny profilů frakcí, IV/06, OS IV / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
30
Časové změny profilů frakcí, V/06, OS V / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
31
Časové změny profilů frakcí, VI/06, OS VI / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
32
Časové změny profilů frakcí, VII/06, OS VII / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
33
Časové změny profilů frakcí, VIII/06, OS VIII / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
34
Časové změny profilů frakcí, VIII/06, PG Mlynářka VIII/2006 30
25
DEN
20
15
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA Beroun 2007
35
Časové změny profilů frakcí, IX/06, OS IX / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
36
Časové změny profilů frakcí, X/06, OS X / 2006 30
25
20
15
DEN
10
5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4
HODINA
Beroun 2007
37
Výskyt typických profilů, vazba na T2M 35 30 25 20 15 10
T2M
5 0 -5
-10 -15 1
2
3
TYP Beroun 2007
4
Medián 25%-75% 5%-95%
38
Výskyt typických profilů, vazba na RH 100
90
80
70
RH
60
50
40
30 1
2
3
TYP Beroun 2007
4
Medián 25%-75% 5%-95%
39
Výskyt typických profilů, vazba na T2M a RH 110 100 90
TYP 1 TYP 2 TYP 3 TYP 4
80 70
RH
60 50 40 30 20 -30
-20
-10
0
10
20
30
40
T2M Beroun 2007
40
Disagregace PM10 z AIMu pomocí podílů frakcí zjištěných z GRIMMu (OS I/2006) 500
PM10 450
PM25hyp 400
PM1hyp
Koncentrace [µg.m -3]
350
300
250
200
150
100
50
0
1. - 15.1.2006
Beroun 2007
41
Disagregace PM10 z AIMu pomocí podílů frakcí zjištěných z GRIMMu (OS VII/2006) 140
PM10 120
PM25hyp PM1hyp
Koncentrace [µg.m -3]
100
80
60
40
20
0
1. - 15.7.2006
Beroun 2007
42
Porovnání naměřené koncentrace PM2.5 s hodnotami, odvozenými z koncentrace PM10 převodními faktory pro frakci PM2.5, zjištěnými z GRIMM (Mlynářka) Koncentrace PM 2.5, odvozená z PM10 Mlynářka pomocí GRIMM
300
250
200
y = 1.0809x + 6.3518 2 R = 0.8918 150
100
50
0 0
50
100
150
200
250
300
Hmotnostní koncentrace PM 2.5 - analyzátor AIM Mlynářka
Beroun 2007
43
Podíly depozice částic PM10, odhadnuté pomocí podílů frakcí zjištěných z GRIMMu (I/06) OSTRAVA
Rozložení depozice částic v dýchacím traktu
100%
Hlava 80%
Průdušnice, průdušky Plicní sklípky
60%
40%
20%
0%
1. - 15.1.2006
Beroun 2007
44
Depozice částic PM10 v dýchacím traktu, odhadnuté pomocí podílů frakcí zjištěných z GRIMMu (I/06) OSTRAVA FIFEJDY 500
Hlava 450
Koncentrace [µg.m -3]
400
350
Průdušky Plicní sklípky PM10
300
250
200
150
100
50
0
1. - 15.1.2006
Beroun 2007
45
Podíly depozice částic PM10, odhadnuté pomocí podílů frakcí zjištěných z GRIMMu (VII/06) OSTRAVA
Rozložení depozice částic v dýchacím traktu
100%
Hlava 80%
Průdušnice, průdušky Plicní sklípky
60%
40%
20%
0%
1. - 15.7.2006
Beroun 2007
46
Depozice částic PM10 v dýchacím traktu, odhadnuté pomocí podílů frakcí zjištěných z GRIMMu (VII/06) OSTRAVA FIFEJDY 140
Hlava 120
Průdušky
Koncentrace [µg.m -3]
Plicní sklípky 100
PM10
80
60
40
20
0
1. - 15.7.2006
Beroun 2007
47
Závěry • GRIMM ve srovnání s AIM výrazně podceňuje hmotnostní koncentrace PM10, nicméně • data jsou homogenní a dobře korelovaná s AIM • daly by se najít korekční vztahy pro přepočet nebo • pomocí zjištěných podílů frakcí disagregovat PM10 z AIMu • Zastoupení podílů GM1, GM2.5, GM10-GM2.5 a GM2.5GM1 v celkové koncentraci GM10 vykazuje zřetelné časové změny a vazbu na meteorologické prvky • Lze definovat typické profily těchto podílů, jejich využitím se přítomnost struktur v datech stane ještě výraznější • Při poklesu teploty a růstu relativní vlhkosti stále více dominovala frakce GM25 a GM1, podíl GM1 na GM10 až 0.9, nebezpečné z hlediska ochrany zdraví • Pomocí depozičního modelu ICRP lze odhadnout, jaké podíly a jaké hmotnostní koncentrace PM10 se deponují v jednotlivých částech dýchacího traktu za různých podmínek Beroun 2007
48
