Aarhus Universitets segl

Nr. 837: Partikelforskningsprojektet 2008 - 2010

Andreas Massling, Jacob Klenø Nøjgaard, Thomas Ellermann, Matthias Ketzel & Claus Nordstrøm 2011: Particle project report 2008 – 2010. Particulate contribution from traffic in Copenhagen. National Environmental Research Institute, Aarhus University. 62 pp.- NERI Technical report No. 837.

Dansk sammenfatning

I perioden fra 2008-2010 har Danmarks Miljøundersøgelser, Aarhus Universitet (DMU-AU) udført det tredje partikelforskningsprojekt for Miljøstyrelsen. Dette projekt er en forlængelse af to tidligere partikelforskningsprojekter udført henholdsvis i perioden fra 2001-2004 og i perioden 2005-2007.

Det tredje partikelforskningsprojekt bygger på resultaterne fra de to tidligere projekter og lige som i disse tidligere projekter har fokus været på målinger af de fysiske egenskaber (masse, antal, størrelsesfordeling, lys-absorption) for de luftbårne partikler. Målingerne er blevet udført ved den stærkt trafikerede gadestation på H.C. Andersens Boulevard (HCAB), bybaggrundsstationen på H.C. Ørsteds Instituttet (HCØ) og ved landbaggrundsstationen ved Lille Valby/Risø (LVBY) ca. 6 km nord for Roskilde. Ved at sammenligne resultaterne fra disse tre målestationer, er det muligt at vurdere andelen af luftforureningen fra selve byen og hvor meget der er transporteret ind til byen fra omgivelserne eller via langtransport. Målingerne er foretaget med høj tidsopløsning (30 minutter), så det er muligt at få information om kilderne til luftforureningen ved at studere døgnvariation i de målte koncentrationer og sammenholde disse med variationerne i udledningerne.

Projektet har endvidere omfattet udførelse af to intensive målekampagner med fokus på bestemmelse af den kemiske sammensætning af de luftbårne partikler ved landbaggrunds-målestationen LVBY. Målekampagnerne blev udført i foråret 2008 og sen vinter/tidligt forår 2009 og indgik som en del af et større fælles europæisk projekt koordineret af det europæiske luftovervågningsprogram EMEP.

Partikelmasse

Målingerne af partikelmasse med TEOM-instrumenter, som blev initieret i det første partikelprojekt (2001-2004), blev fortsat og udbygget i perioden fra 2008-2010, så der nu findes en relativt lang tidsserie for disse målinger. TEOM har den fordel, at instrumentet giver målinger med relativt høj tidsopløsning (halvtimes middelværdier), men til gengæld har metoden den ulempe at en del af partikelmassen ”tabes” inde i selve instrumentet grundet fordampning af partiklernes indhold af vand samt semivolatile forbindelser. TEOM måler derfor en for lav partikelmasse. For at få en bedre forståelse af dette tab er der blevet foretaget grundige sammenligninger mellem målingerne med TEOM og målinger med SM200-instrumenter (24-timers middelværdier), hvor SM200 giver resultater i overensstemmelse med referencemetoden.

Sammenligningen bekræftede, at en betragtelig del af partikelmassen blev tabt i TEOM. I det tidligere partikelforskningsprojekt blev det vurderet, at det var muligt at korrigere for dette tab på årlig basis ved at lægge en konstant masse (omkring 9 µgm-3) til både PM2.5 og PM10, og uafhængig af målestedet (Wåhlin 2008). Den nye og udvidede sammenligning baseret på større datasæt viste imidlertid, at tabet af masse afhænger af såvel størrelsesfraktionen (PM2.5 eller PM10) som målestedet (landbaggrund, bybaggrund, gade). Endvidere blev det fundet, at tabet af masse i TEOM har en sæsonvariation, hvilket kan forklares med sæsonvariationer i den kemiske sammensætning af partiklerne samt de meteorologiske forhold.

Trods den rumlige og tidslige variation i tabets størrelse er det muligt at estimere den korrekte partikelmasse ud fra TEOM ved at korrigere de målte værdier med en korrektionsfaktor på 1.2-1.7 afhængigt af sted, årstid og størrelsesfraktion. Det er vurderet, at denne metode giver rimelige estimater, når først korrektionsfaktoren er bestemt for den aktuelle årstid og sted. Denne korrektionsmetode svarer til den korrektionsmetode, som anbefales i forbindelse med rapportering under EU-direktivet (2008/50/EF). Estimater af partikelmasse ud fra korrigerede TEOM-målinger skal imidlertid altid udføres med forsigtighed og så vidt muligt forsøge at tage højde for de aktuelle tidslige og rumlige variationer i korrektionsfaktoren. Alle partikelmålinger foretaget med TEOM-instrumenter er præsenteret i denne rapport som ikke-korrigerede tal.

På trods af tabet vurderes det, at målingerne af PM2.5 og PM10 med TEOM fortsat kan anvendes til at skønne den generelle udviklingstendens for partikelmassen. PM2.5 målt med TEOM ved gademålestationen HCAB er faldet fra omkring 17 µgm-3 i 2002 til omkring 13 µgm-3 i 2010 (ukorrigerede værdier). I bybaggrund (HCØ) og landbaggrund (LVBY) er der observeret et forholdsvis konstant niveau.

For PM10 målt med TEOM er der målt et fald i perioden fra 2002 til 2010 fra omkring 35 µgm-3 i 2002 til omkring 26 µgm-3 i 2010 (ukorrigerede værdier) ved gademålestationen HCAB. En del af dette fald skyldes ny asfaltbelægning på H.C. Andersens Boulevard i 2008. Ved bybaggrundsmålestationen blev der ligeledes observeret et fald i PM10 i perioden 2002 til 2010.

Analyser af døgnvariationen i PM2.5 og PM10 målt med TEOM viste, at partikelmassen på gadeniveau har en døgnvariation, som følger døgnvariationen i trafikintensiteten i byerne. Dette bekræfter tidligere resultater, og viser at PM2.5 og PM10 i nogen grad skyldes den lokale trafik. Den resterende andel af partikelmassen kommer hovedsageligt fra langtransporterede partikler. På basis heraf vurderes det, at reduktionen i partikelforeningen skyldes såvel mindre langtransporteret forurening, såvel som i fald i partikelforureningen fra den lokale trafik.

Partikelantal

Som et resultat af de tre forløbne partikelforskningsprojekter er der nu foretaget målinger af det samlede partikelantal og størrelsesfordelingen af partiklerne (6-700 nm) i perioden fra 2002 til 2010. Resultaterne viser, at årsmiddelværdien for antallet af partikler ved HCAB i 2010 lå på ca. 16.000 partikler cm-3, hvilket er ca. en faktor 2 og 4 højere end årsmiddelværdierne målt ved henholdsvis HCØ (ca. 6.800 partikler cm-3) og LVBY (3.800 partikler cm-3).

På HCAB er antallet af partikler faldet til omkring halvdelen i perioden fra 2002 til 2010. På HCØ og LVBY ses også tendenser til fald i antallet af partikler, men disse fald er mindre end målt på HCAB. På HCØ og LVBY var faldet på henholdsvis omkring 30% og 15%.

Det højere niveau for antallet af partikler på HCAB sammenholdt med HCØ og LVBY skyldes primært udstødning af partikler fra trafikken på HCAB. HCØ og LVBY ligger længere væk fra trafikale kilder, hvilket er årsagen til det lavere partikelantal ved disse målestationer.

DMU-AU vurderer, at faldet i antallet af partikler på HCAB skyldes teknologiske forbedringer af køretøjerne (nyere biler, partikelfiltre, miljøzoner m.m.). Denne vurdering underbygges af resultaterne fra 2 opgørelser af partikelmasseemissionerne fra trafikken, selv om emissioner i partikelmasse og antal er ikke helt sammenligneligt. På Åboulevarden faldt udstødningen af partikler med omkring 40% i perioden fra 2004 til 2008 (Jensen et al., 2010) og partikeludstødningen fra den tunge trafik reduceredes i 2010 med 60% som en kombinationseffekt af miljøzonekravene i 2010 og generelle miljøkrav til busser i København (Jensen et al., 2011).

Døgnvariationen i partikelantal følger døgnvariationen i trafikmønstret med højt partikelantal i forbindelse med myldretiderne. Den typiske døgnvariation i meteorologien modificerer dog det typiske døgnmønster, således at toppen i morgenmyldretiden er højere end toppen relateret til myldretiden om eftermiddagen. Døgnvariationen i partikelantal viser, at størstedelen af partikelantallet skyldes udledninger relateret til trafikken.

Udviklingen i størrelsesfordelingen er ligeledes undersøgt i forbindelse med projektet. Målingerne ved de tre målestationer viser, at den gennemsnitlige diameter for partiklerne øges fra gadeniveau til landbaggrund. I bybaggrund (HCØ) observeredes en betydelige øgning i ’mode-diameter’ (svarer til maksimum i størrelsesfordelingen) i perioden fra 2002 til 2010 på 67 % - fra 30 nm til 50 nm. Tilsvarende udvikling blev ikke observeret på de to øvrige målestationer. Endvidere viste en detaljeret undersøgelse af udviklingstendens for de forskellige fraktioner af partiklerne, at det hovedsageligt er antallet af de mindste partikler fra 6-40 nm i diameter, som er faldet med omkring en faktor 2 i perioden fra 2002 til 2010, mens de større partikelfraktioner er faldet betydeligt mindre. Disse resultater understøtter konklusionen om, at faldet i det samlede antal partikler på gadeniveau skyldes fald i udledningerne af ultrafine partikler (partikler mindre end 100 nm i diameter) fra trafik.

Det anvendte måleudstyr er teknisk kompliceret og er egentligt ikke udviklet til rutinemålinger over lange tidsrum. Det er derfor vanskeligt at opnå måleresultater, som er fuldt repræsentative for alle kalenderårene. Derfor har DMU-AU lavet en grundig analyse for at sikre, at den manglende datarepræsentativitet ikke giver anledning til fejltolkninger af udviklingstendensen. Denne analyse viser, at den manglende datarepræsentativitet på HCAB giver en højere usikkerhed på årsmiddelværdierne for år 2002, 2004, 2005 og 2010. Den højere usikkerhed for disse år påvirker imidlertid ikke konklusionen om niveauet og udvikllingstendensen for HCAB.

Lysabsorption og sod

Partiklernes absorption af lys kan anvendes som et indirekte mål for mængden af sod (black carbon, BC), da størstedelen af denne absorption skyldes tilstedeværelsen af sod. Denne har været stort set konstant i landbaggrund (LVBY) i perioden fra 2006 til 2010. I bybaggrund (HCØ) er der observeret et mindre fald i lysabsorptionskoeficienten fra 2007 til 2010. På gadeniveau (HCAB) er der målt en stigning fra 2007-2008, som er de eneste to år, hvor det har været muligt at bestemme en årsmiddelværdi. Denne stigning er uventet og understøttes ikke af andre målinger i en række projekter, hvor der er målt partikelindhold af elementært kulstof (EC, som svarer til sod). Derfor undersøges det pt. om stigningen er reel eller kan skyldes en hidtil ukendt fejl i instrumentet. Målingerne af lysabsorptionskoefficienten viser en tydelig døgnvariation, hvilket indikerer at lysabsorptionen hovedsageligt er relateret til udledninger fra trafik og dermed at hovedparten af byluftens indhold af sod stammer fra udledninger relateret til trafikken. Det kan ikke udelukkes at forurening fra brændeovne udgør en mindre andel især i vinterperioden.

Kemisk sammensætning

For at få en bedre forståelse af den kemiske sammensætning og kilderne til PM2.5 og PM10 i danske landbaggrundsområder, blev der i efteråret 2008 (september-oktober) og sent vinter/tidligt forår 2009 (februar-marts) udført to målekampagner ved LVBY. I alt blev der målt 36 kemiske komponenter omfattende såvel gasser som partikler. Kampagnerne varede omkring en måned hver, hvilket til sammen gør målekampagnerne til den hidtil mest omfattende undersøgelse af den kemiske sammensætning af og kilderne til partikelmasse i Danmark. Målekampagnerne blev udført i forbindelse med en større europæisk målekampagne organiseret af den europæiske samarbejdsorganisation for måling af luftforening, EMEP.

I gennemsnit for de to kampagner lå PM2.5 og PM10 på henholdsvis 13 µgm-3 og 17 µgm-3. Heraf kan der udfra de kemiske målinger gøres rede for (mass closure) henholdsvis 64% og 73% af PM2.5 og PM10 svarende til 9 µgm-3 og 14 µgm-3 som gennemsnit for PM2.5 og PM10 for de to kampagner. Den ukendte andel af massen (omkring 3-4 µgm-3) lå udelukkende i de fine partikler (diameter under 2.5 µm) og vurderes at bestå af vand samt en række grundstoffer (for eksempel oxygen og hydrogen). Vand og disse grundstoffer kan ikke bestemmes via de udførte kemiske analyser, men vand kan udgøre en betragtelig andel af atmosfæriske partikler stigende med den relative fugtighed (RF) (McMurry, 2000). Eks. er vand rapporteret til at udgøre 10% af atmosfæriske partikler ved 50% RF, og 40% ved 70% RF. Disse grundstoffer er bundet til forskellige uorganiske grundstoffer som kalium, silicium, jern og calcium i form af for eksempel sand (SiO2), calciumcarbonat (CaCO3) og jernoxid (Fe2O3). Andelen af ukendt masse var højest i forbindelse med efterårskampagnen. Luftfugtigheden var høj på dette tidspunkt, hvilket fører til en større andel af vand bundet til de hygroskopiske uorganiske salte, og dermed til en relativt set større andel af ukendt masse.

De uorganiske ioner udgør henholdsvis 32% og 29% af PM2.5 og PM10. Disse består hovedsageligt af sekundære uorganiske salte (secondary inorganic aerosols (SIA) bestående af navnligt ammoniumnitrat, ammoniumbisulfat og ammoniumsulfat) dannet i atmosfæren på baggrund af udledninger af SO2, NOX og NH3. Havsalt (Na, Cl, sulfat fra hav, Br, Mg) udgør hovedparten af de resterende uorganiske ioner. Tungmetaller udgør mindre end 1.5% og 3.1% af henholdsvis PM2.5 og PM10. Elementært kulstof (sod) og organisk bundet kulstof udgør en anden stor del af partikelmassen; 30% og 23% af henholdsvis PM2.5 og PM10. Såvel PM2.5 og PM10 var højere i kampagnen om efteråret end i kampagnen sent vinter/tidlig forår. Dette skyldes formentligt variationer i de meteorologiske forhold.

De målte kemiske parametre (36 parametre med daglig opløsning) blev analyseret ved hjælp af DMU-AU’s COPREM-model, der anvendes til beregning af kilderne til luftforurening. 12 forskellige kildeprofiler blev anvendt i forbindelse med kildeanalysen:

1. Havsalt (hovedsageligt NaCl)

2. NaNO3 – “gammelt” havsalt

3, 4, 5. Sekundære uorganiske ioner (SIA) bestående af ammoniumnitrat, ammoniumbisulfat og ammoniumsulfat

6. Silikatbjergarter

7. Kalkbjergarter

8. Biomasseafbrænding (brændeovne, skovbrande etc.),

9. Olieforbrænding,

10. Kulforbrænding,

11. Køretøjer (partikler genereret direkte fra trafik)

12. Sekundære organiske partikler (SOA).

 COPREM-analysen viste, at den største kilde til PM10 i landbaggrund var de sekundære uorganiske ioner, som udgjorde omkring 30% af massen. Samme konklusion blev draget direkte fra den “simplere” direkte analyse af selve måledata. Havsalt, biomasseafbrænding og sekundære organiske partikler (SOA) udgjorde hver omkring 11-15% af PM10. SOA og biomasseafbrænding kan enten dannes lokalt eller de kan blive langtransporteret til LVBY. Partikler fra trafik og afbrænding af olie og kul udgjorde til sammen omkring 14% af PM10.

Analysen af PM2.5 og PM10 viste, at der er en væsentlig forskel mellem den kemiske sammensætning af de fine partikler (mindre end 2.5 µm) og de grove partikler (mellem 2.5 µm og 10 µm). Havsalt og partikler fra silikat-, kalkbjergarter og mineraler samt bidrag relateret til trafik var hovedsageligt associeret med grove partikler. Forbrændingskilderne (olie, kul og biomasse) blev hovedsageligt fundet i de fine partikler, selv om et bidrag til de grove partikler ikke kan udelukkes, for navnlig partikler relateret til afbrænding af olie.

COPREM-beregningerne viste, at SOA primært findes i PM2.5 mens omkring 20% findes i den grove fraktion. Det skal nævnes, at OC som SOA-profilen er baseret på, kun blev målt i PM10, af hensyn til de økonomiske ressourcer i dette projekt. Det vurderes, at disse overvejende er associeret med PM2.5 (Stone et al., 2011).

Resultaterne viste, at den ukendte masse var associeret med PM2.5, og at den kemiske sammensætning for de grove partikler var fuldt bestemt. Dette var uventet da den ukendte masse for en stor andel forventes at være vand bundet til de hygroskopiske dele af partikelmassen, som både findes i de fine og grove partikler.

Det kemiske indhold i PM2.5 og grove partikler (fraktionen mellem 2.5 µm og 10 µm) stemmer overens med de forventningerne, der kan opstilles på basis af den atmosfæriske transport af PM2.5 og grove partikler.

PM2.5 kan transporteres over store afstande (f.eks. Rusland og Kina) og indeholder derfor en stor andel af langtransporteret partikelmasse. Kun en lille andel af de grove partikler kan forventes at være langtransporterede (f.eks. fra Øst- og Sydeuropæiske lande) og indeholder derfor primært partikelmasse af mere lokal og regional oprindelse (f.eks. Sjælland og Nordtyskland). Et eksempel på dette er de sekundære uorganiske partikler, som for en stor del stammer fra kilder uden for Danmark (Ellermann et al., 2010b). Dette er i overensstemmelse med målingerne, som viser, at 80% af den sekundære uorganiske partikelmasse findes i PM2.5.

Fortsatte undersøgelser og anbefalinger

I forbindelse med de tre forløbne partikelforskningsprojekter er der skabt værdifuld ny viden om partikelforureningen i Danmark. På trods af dette, er der imidlertid fortsat huller i vores viden på området. For at reducere disse huller i vores viden vil vi forslå, at forskning fortsættes på følgende områder:

  • TEOM er et nyttigt instrument i forbindelse med studier af partikelmasse, hvor høj tidsopløsning er nødvendigt. Imidlertid er det nødvendigt at tage højde for tabet af partikelmasse i instrumentet. I forbindelse med kommende undersøgelser baseret på TEOM vil det være nødvendigt at anvende en korrektionsfaktor, som afhænger af partikelfraktion, årstid og sted for målingerne d.v.s.. om det drejer sig om landbaggrund, bybaggrund eller gadeniveau. Derfor vil det være nødvendigt med fortsatte studier af tabet af partikelmasse i TEOM. For eksempel studier af, hvor stor en andel af tabet, som skyldes ammoniumnitrat.
  • På bybaggrundsmålestationen (HCØ) blev der observeret en mindre stigning i partikelantal. Årsagen til denne stigning bør undersøges.
  • Undersøgelserne af udviklingstendensen for partikelstørrelses-fordelingen har vist, at denne har ændret sig i løbet af de seneste 10 år. Det anbefales derfor at fortsætte målingerne af størrelsesfordelingen, og at igangsætte undersøgelser af årsagerne til udviklingstendensen. En af de ting, som bør studeres er hvorvidt den øgede anvendelse af brændeovne har spillet en rolle i forbindelse med ændringerne af partikelstørrelsesfordelingen. Endvidere vil der i forbindelse med EU fortsat ske reguleringer af udledningerne af partikler. Fortsatte målinger af partikelstørrelsesfordelingen vil kunne give information om effekten af disse reguleringstiltag.
  • De nuværende undersøgelser har desværre ikke givet et klart billede af udviklingstendenserne for sod (BC). For at få bedre viden om sod anbefales, at målinger af sod baseres på direkte målinger af elementært kulstof frem for anvendelse af de indirekte absorptionsmålinger. Denne anbefaling er baseret på, at der skaffes ekstra information, idet metoden måler organisk kulstof samtidig med elementært kulstof. Anbefalingen er også baseret på de mulige problemer med absorptionsmålemetoden.
  • Resultaterne fra de to målekampagner viser, at der er store forskelle fra dag til dag i det kemiske indhold af partiklerne, og at der ligeledes er sæsonvariation i det kemiske indhold. Det er derfor vigtigt at måle det kemiske indhold af partiklerne gennem relativt lange perioder (måned eller mere), og dække de forskellige sæsoner.
  • Partikelmassen relateret til forskellige kulstofkomponenter udgør en stor andel af den samlede partikelmasse. I de to målekampagner var det imidlertid kun muligt at bestemme kulstofkomponenterne i PM10 og vi måtte anvende en antagelse om fordelingen af kulstofforbindelserne i fine og grove partikler. Dette er et svagt punkt i den nuværende undersøgelser. I forbindelse med kommende målinger af det kemiske indhold i partiklerne bør der derfor måles kulstofkomponenter i både PM2.5 og PM10.
  • Det organiske indhold udgør en betragtelig andel af partikelmassen. Vi kender imidlertid ikke det kemiske indhold af den organiske partikelmasse, hvilket gør det umuligt at vurdere kilderne til de organiske partikulære forbindelser. Samtidigt er der usikkerhed på selve estimatet af den organiske masse. Det foreslås derfor, at der udføres nye målekampagner med det formål at bestemme de væsentligste organiske kemiske komponenter ved anvendelse af specifikke markører for sekundære organiske partikler, primære biologiske organiske partikler og marine organiske partikler.
  • Omkring en tredjedel af PM2,5 består af ukendt kemi. Det antages, at en stor del af denne masse udgøres af vand (McMurry, 2000) associeret med de hygroskopiske salte. Det er imidlertid nødvendigt med yderligere eksperimenter for at øge viden om de dele af partikelmassen, som i dag har ukendt kemi.
  • Med den nuværende viden vurderes det, at trafik er den væsentligste kilde til sod i byområder. Andre kilder som for eksempel brændeovne og industriel forbrænding, bidrager også til dannelse af sod. Der er imidlertid ikke særlig stor viden om disse kilders bidrag til partikelbåret sod i Danmark. Det er derfor nødvendigt at udføre yderligere målekampagner med det formål at få bedre viden om kilderne til sod.
  • En række studier indikerer, at de ultrafine partikler har negativ effekt på human sundhed. Det er derfor nødvendigt at udføre undersøgelser, som kan kortlægge den kemiske sammensætning af de ultrafine partikler, for derved bedre at kunne vurdere sammenhængen mellem partikelforurening og sundhedseffekterne.

Udover disse aktiviteter er der generelt interesse for at overvåge udviklingstendens for partikelantal og størrelsesfordeling for derved at kunne vurdere effekten på luftkvaliteten af de tiltag, som bliver implementeret internationalt og nationalt (fx miljøzoner) med henblik på at reducere problemerne med de ultrafine partikler i danske byområder.