Partiklar stora som små OPSIS Användarmöte Göteborg 7/10 2004 Erik Swietlicki Professor Avdelningen för Kärnfysik Lunds Tekniska Högskola Box 118, 21100 Lund e-post: Erik.Swietlicki@pixe.lth.se

Atmosfäriska aerosoler– Negativa effekter Människors hälsa PM2.5/PM10 Cancerogena ämnen Klimat Direkt effekt (ljusspridning) Indirekt effekt (moln) Försurning Långdistanstransport Toxiska substanser Tungmetaller, organiska miljögifter

---------------Mycket låg ------------ FNs klimatpanel för klimatförändrigar (IPCC) The Global Mean Radiative Forcing of the Climate System 1750 till 2000 Växthusgaser Freoner Aerosolpartiklar Strålningsförändring (W/m2) Avkylning Uppvärmning Partiklar  Moln Hög Medium Låg ---------------Mycket låg ------------ Nuvarande kunskapsnivå

WHO - Hälsoriskbedömning för PM10

Partiklar - Hälsoeffekter WHO uppskattar att exponering för fina partiklar (PM2.5) i utomhusluften leder till cirka 100 000 extra dödsfall (och 725 000 förlorade levnadsår) årligen i Europa. WHO, World Health Report 2002, Geneva.

Viktigaste luftföroreningarna ur hälsosynpunkt Partiklar, PM10 Finns norm (fr 2005) Ozon, O3 Mål Kvävedioxid, NO2 Finns norm (fr 2006) Bensen, C6H6 Finns norm (fr 2010) Benso[a]pyren, BaP Förslag PAH Förslag Tungmetaller (Cd, Pb, Cu, Hg, As, Cr) Förslag (Pb norm) Flyktiga kolväten, VOC Mål för utsläppen Kolmonoxid, CO Finns norm Svaveldioxid, SO2 Finns norm Viktigaste ur hälsosynpunkt

Halter - Miljökvalitetsnormer PM10 Stort problem på många platser - Oförändrade Långdistanstransport Lokalt genererade slitagepartiklar (trafik) Lokal vedeldning NO2 Överskridanden på vissa platser – sjunkande(?) Lokal vägtrafik (avgaser) Inget problem 2010 Bensen Troligen inget problem(?) - sjunkande Vägtrafik Vedeldning Benso[a]pyren Begränsat problem(?) - sjunkande Vägtrafik, avgaser Industrier

Partiklar Storleksfördelningar

Partiklarna fördelar sig på olika ”moder” Grova partiklar Fina partiklar Heta ångor, gaser Mekaniskt genererade Kondensation Nukleering Nukleeringsmod Ackumuleringsmod Grovmod Koagulering Partikeldiameter (µm)

Gas phase chemical reactions Hot vapours Low volatility gases Homogenous nucleation and condensation Condensation Wind blown dust + Emissions Sea spray Volcanoes Plant Particles Condensation nuclei Primary particles Coagu- lation Droplets Agglomerates Coagulation Activation Coagu- lation Rainout and Washout Diffusion Sedimentation 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Particle Diameter (  m) Nucleation mode Aitken mode Accumulation mode Coarse Particles

Storleksfördelningar Samma partikelfördelning – Olika sätt att presentera data Antalet partiklar Partiklarnas yta Partiklarnas volym eller massa Partikeldiameter (µm)

Partiklar - Antalsfördelning Logaritmisk skala Linjär skala Partikeldiameter Dp (µm) Partikeldiameter Dp (µm)

Volym och massfördelningar Olika kontinentala miljöer Urban miljö Urban påverkan Nära större väg Jordflykt Bakgrund Urban påverkan Partikeldiameter Dp (µm) Partikeldiameter Dp (µm)

Fina partiklar – Många och farliga Fina partiklar – Många och farliga? Grova partiklar – Få men mycket massa PM ingen enhetlig sammansättning Vad är farligt med PM? (massa, antal, yta?) Hur bör PM övervakas och begränsas?

Storlek anges istället som ekvivalent diameter Partikeldiameter Svårt både att mäta och beskriva en partikels form och storlek d? d? Storlek anges istället som ekvivalent diameter

Partikeldiameter Aerodynamisk ekvivalent diameter Diametern på den sfär med densiteten 1g/cm3 som har samma sedimentations-hastighet som partikeln ifråga. Stokes ekvivalent diameter Diametern på den sfär som har samma sedimentationshastighet och densitet som partikeln ifråga.

Ekvivalent Partikeldiameter Utgår från sedimentationshastigheten Volymekvivalent diameter Formfaktor = 1.36 de = 5.0 µm rp = 4 g/cm3 Stokes ekvivalenta sfär ds = 4.3 µm rp = 4 g/cm3 Aerodynamiskt ekvivalent sfär dae = 8.6 µm rp = 1 g/cm3 vTS=0.22 cm/s vTS=0.22 cm/s vTS=0.22 cm/s

Exempel på oregelbundna partiklar TEM-bilder Fotogenlampa (sotagglomerat) Partiklar fråm slitage av bildäck

Partikelavskiljning - olika konventioner PM10 PM2.5 IPM: Inhalerbar partikelfraktion (andel som kan inandas genom näsa eller mun) TPM: Lungpartikelfraktion (eng. thoracic; andel som kan passera svalget) RPM: Respirabel partikelfraktion (andel som kan nå lungblåsorna)

Aerodynamisk partikeldiameter Dae (µm) Partiklar i finmoden Partiklar i grovmoden Aerodynamisk partikeldiameter Dae (µm)

PM10 Sammansättning - Europa Jämförelse: Gravimetrisk PM10-massa (referensmetod) – Summan av kemiskt bestämda komponenter Putaud et al., 2003 (http://ccu.ei.jrc.it/ccu/)

PM2.5 Sammansättning - Europa Jämförelse: Gravimetrisk PM2.5-massa – Summan av kemiskt bestämda komponenter Putaud et al., 2003 (http://ccu.ei.jrc.it/ccu/)

Grovmod sammansättning - Europa PM10-PM2.5 Putaud et al., 2003 (http://ccu.ei.jrc.it/ccu/)

Partikel-bundet vatten som borde avlägsnas Lättflyktiga föreningar som borde vara kvar Aerodynamisk diameter (µm) Lättflyktiga föreningar som kan försvinna under eller efter provtagning Sot eller “elementärt kol” Organiskt kol

Felkällor vid aerosolmätning Ursprunglig aerosol Provtagnings- effektivitet Interna förluster Aerosol- provtagare Sensorns respons 234 cm-3 Databearbetning

Standarder för mätning av PM Befintliga och kommande US EPA & National standards EN12341 PM10 Std. (1996) 2nd Daughter Directive CAFE (Clean Air For Europe) EN 14907 PM2.5 Std. (April 2004) Dotterdirektiv for tungmetaller och PAH (Cd, Pb, Cu, Hg, As, Cr)

USA och Europa Krav på konditionering av filter vid vägning för bestämning av PM-halter

Föreslagen PM2.5 mätstandard EN 14907 Viktiga skillnader gentemot PM10-standard Provtagningsflöde: 2.3 eller 30 m3/timme. Måste provta vid omgivningstemperatur (+/-5°C). Filter måste tas ur provtagaren inom 4 timmar efter avslutad provtagning eller…. filter hålls vid < 20°C efter provtagningen. Vågen måste ha en nogrannhet och precision på bätttre än 10 µg. Samma krav på konditionering (temp, fuktighet) men strängare Q.A. (t.ex. upprepning av vägning inom 24-48 timmar) – EN12341 PM10 och EN14907 PM2.5 kräver båda 50% r.f. och 20°C Ny procedur för godkännande av ekvivalenta mätmetoder.

Våta och torra PM storleksfördelningar (Pittsburgh Air Quality Study, PAQS, Pandis et al.) Våt, 68% r.f. Torr, 20% r.f. Volymökning p.g.a. vatten Partikelbundet vatten = rw(Vwet-Vdry)

Partikelbundet vatten, juli 2001 (Pittsburgh Air Quality Study, PAQS, Pandis et al.) Våta partiklar vid r.f. < 60%

PM2.5 Sammansättning Pittsburgh, USA, Juli 2001 Spyros Pandis m.fl. 10 20 30 40 50 60 Water Crustal NO3 SO4 NH4 EC OC*1.8 FRM PM2.5 (mg m-3) 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 Referensmetod (gravimetrisk) Vatten Datum (Juli 2001) Vatten kan utgöra en stor del av PM2.5.

Forsdala, Lycksele – Partikelmätningar 2002 Rapporter BHM: http://www.itm.su.se/bhm/ Hygroskopiska egenskaper (TDMA) Partikelstorleksfördelningar (DMPS) Sot Elementsammansättning (SAM) (filter fin-, grovfraktion, PIXE) Huvudjoner (filter, IC) Partikelmassa (TEOM) (PM10 / PM2.5) Kemisk sammansättning (Hi-Vol PM10)

Differential Mobility Particle Sizer DMPS Aerosol-partiklar Partikel- räknare CPC Mäter: Partiklarnas storleksfördelning (< 1 µm, oftast torrt) Monodispers aerosol dN/dDp Tork DMA Bipolär laddare Dp d0 DMA “Transfer Function”

Variationerna i partikelhalter Forsdala, Lycksele 2002 Mycket stor variation av antalet partiklar! Vedeldning betydande källa i Lycksele. Partikelantal (cm-3) Bakgrund

Partikelmassa och volym Forsdala, Lycksele 2002 Partikelvolym beräknat från DMPS-data uppvisar god samvariation med PM-halterna (TEOM). PM0.85 beräknat från DMPS-data (densitet 1 g/cm3) utgör 66% av PM2.5 och 50% av PM10.

Hälsoeffekter Halter och gränsvärden

Akuta korttidseffekter Dödlighet Förändring av dödlighet per dygn (%) +0.7% per 10 µg/m3 ökning av PM10 Uppskattad procentuell förändring i dödlighet per dygn vid en ökning av PM10 med 10 µg/m3 (95% konfidensintervall). (Pope et al. 1995)

Partiklar Utomhusluft Gränsvärden USA - National Ambient Air Quality Standards Årligt medelvärde 24-timmar PM-2.5 (1997) 15 µg/m3 65 µg/m3 PM-10 (1997) 50 µg/m3 150 µg/m3 EU-stater - Air Quality Limit Values (MKN) PM-10 (2005) 40 µg/m3 50 µg/m3 (35/år) PM-10 (2010) 20 µg/m3 50 µg/m3 (7/år)

WHO-rapporten www.who.dk/document/e79097.pdf ”It has been estimated that exposure to fine particulate matter in outdoor air leads to about 100 000 deaths (and 725 000 years of life lost) annually in Europe.” ”The present information shows that fine particles (commonly measured as PM2.5) are strongly associated with mortality and other endpoints such as hospitalization for cardio-pulmonary disease, so that it is recommended that Air quality guidelines for PM2.5 be further developed.” ”Epidemiological studies on large populations have been unable to identify a threshold concentration below which ambient PM has no effect on health.”

Second Position Paper on Particulate Matter CAFE Working Group on Particulate Matter August 20th, 2003 “In the light of these health-related findings the PM Working Group recommends the use of PM2.5 rather than PM10 as the principal metric for assessing exposure to particulate matter. It is further recommended to maintain monitoring PM10 at a lower intensity ….” “It is recommended that once PM2.5 limit values have come into force and have replaced the Stage 1 PM10 limit values, the PM10 indicative limit values currently set for Stage 2 in the First Daughter Directive should be reclassified as target values with the aim to help control the coarse fraction, PM2.5-10.”

Aerosol Optical Depth over Europe C. Robles-Gonzalez, J.P. Veefkind and G. de Leeuw, GRL 27(2000)955-959

Europeiska PM10-halter Putaud et al., 2003 (http://ccu.ei.jrc.it/ccu/)

Europeiska PM2.5-halter Putaud et al., 2003 (http://ccu.ei.jrc.it/ccu/)

Europeiska PM-halter Kvoten PM2.5 / PM10 = 0.5 to 0.9 PM2.5 och PM10 samvarierar Kvoten PM2.5 / PM10 = 0.5 to 0.9 Putaud et al., 2003 (http://ccu.ei.jrc.it/ccu/)

Relevanta Miljömål: Frisk luft God bebyggd miljö

PM10, Årsmedelvärde, 90- och 98%-iler PM10-halt (µg/m3) 90%-il Årsmedel Föreslagna nya delmål Syd Nord Källa: Urbana Mätnätet, IVL

PM2.5, Årsmedelvärde, 90- och 98%-iler Uppskattning utifrån PM10 halter PM2.5-halt (µg/m3) 90%-il Årsmedel Föreslagna nya delmål Syd Nord Källa: Urbana Mätnätet, IVL

PM10-halter i Stockholm år 2002 PM10 90-percentil 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hornsgatan Essingeleden Sveavägen Norrlandsgatan Valhallavägen Roslagsvägen E4 Sollentuna Södermalm (tak) Upplands Väsby (kaminer) Bakgrund Miljökvalitetsnorm, 2005 Övre utvärderingströskel Förslag, 2015 PM10-halt (µg/m3)

Antal överskridanden av PM10 MKN Över 50 µg/m3 tillåtet högst 35 dygn/år Antal överskridanden per månad av dygnsmedelvärdet 50 µg/m3 Månadsmedelvärde (µg/m3) PM10-halt (µg/m3)

Förslaget innebär överskridande i samtliga tätortsmiljöer i Sverige Huvudkällor: Långdistanstransport Vägdamm Icke miljögodkända vedpannor Långdistanstransport påverkar främst årsmedel Lokala källor påverkar främst 90%-il

Modellerat partikelantal över hela Lycksele Medelvärde partikelantal (exklusive bakgrund) Partikelantal från vedeldning Partikelantal från trafik Lars Gidhagen, SMHI

Modellerat partikelantal över hela Lycksele Dygnsmedelvärde partikelantal (exkl. bakgrund) vid temperaturer < -30 °C (24 jan 2002) Partikelantal från vedeldning Partikelantal från trafik Lars Gidhagen, SMHI

Storleksfördelning i olika 5-temperaturintervall Forsdala, Lycksele, jan-mars 2002 Storleksfördelning i olika 5-temperaturintervall Vedeldning (70 nm) Natt Trafik (20 nm)

Beräknade halter av ultrafina partiklar i Stockholm Ultrafina partiklar: < 100 nm Lars Gidhagen, SMHI Antal per cm3

Stor samvariation mellan antalet partiklar och NOx i trafikmiljöer ToN = 606*[NOx]0.9277 Christer Johansson m.fl., SLB

”Utveckling och validering av modell för beräkning av PM10 i urban miljö” Finansierat av Vägverket, Borlänge Mätplats: Vallstanäs (E4 norr om Stockholm) Provtagning av aerosol utfördes på två platser.

Vägsimulator VTI Linköping Finansierat av Vägverket, Borlänge

Andel dubbdäck och jordstoftskällor Vallstanäs (E4) Sopning av vägbanan medförde ingen påvisbar effekt i mina mätningar och inte i det uppmätta dygnsmedelvärdet En tydlig samvariation variation mellan andelen bilar med dubbdäck och jordstoftskällorna grov och fin I Vallstanäs utförs ingen halkbekämpning med sand.

Vallstanäs (E4) Flera källor av betydelse för PM10-halterna förutom avgaserna Kall, torr period Kall, nederbörd period Samma här fast under perioden i maj. Att notera här är att PM10 halten under denna period är betydligt lägre, varpå modellen förmodligen har lite svårt att ge ett korrekt resultat. Detta med tanke på den stora andel okänt. Uppmätt PM10: 21.2 µg/m3 (medel) Uppmätt PM10: 52,2 µg/m3 (medel)

Sammanfattning Källor till partiklar i städer Antal partiklar: Lokala bensin och dieselavgaser viktigast Vedeldning i vissa områden Nästan försumbart bidrag från intransport PM10: Inget (<10%) bidrag från fordonsavgaser Dubbdäck (och vinterväghållning) medför höga PM10 halter i Sverige jämfört med andra städer i Europa Vedeldning kan ge betydelsefulla lokala bidrag Långdistanstransporten viktig

? Källor - Partikelhalter – Hälsoeffekter Epidemiologi – Länk mellan halter i utomhusluft och olika hälsoeffekter. ? Emissions- mätningar Luftkvalitets- mätningar Spridnings- modellering Emission Halter Exponering Dos Hälsoeffekt This study is part of a large program in Sweden that deals with the pollution from biomass burning due to the increased use as alternative fuel source. BHM – Biomass – health – environment. The BHM Emission cluster – the imission cluster, the healt cluster. We focus on the imission cluster, and also started to go into doses in respiratory tract, which is not done so far in this program. Dosen av partiklar till andningsvägarna borde vara mer relevant än halter i utomhusluften!

Lungdeposition av partiklar - ICRP Total Partikeldiameter (µm) Deponerad partikelandel Lungblåsor

Fotograf: Lennart Nilsson Sotpartiklarna (gulfärgade) har tagit sig in genom luftvägarna och ansamlas i lungblåsorna - alveolerna - (violetta).

En vit blodkropp från kroppens immunförsvar (färgad i blått) försöker attackera sotpartiklarna och äta upp dem. Fotograf: Lennart Nilsson

Partikeldeposition i andningsvägarna Inte känt: Vilka fysikaliska/kemiska egenskaper hos de deponerade partiklarna ger upphov till de observerade hälsoeffekterna? Av intresse att kunna mäta eller uppskatta: Depositionen av aerosolpartiklar avseende Antal Yta Massa (Volym) till de olika delarna av andningsvägarna.

Partikeldeposition i andningsvägarna - ICRP Partikeldepositionens effektivitet är starkt storleksberoende Den relevanta storleken är den som partiklarna uppnår genom tillväxt i andningsvägarnas fuktiga miljö. Viktiga parametrar: Partiklarnas torrstorleksfördelning Partiklarnas hygroskopiska egenskaper som funktion av partikelns torrstorlek Total

Partiklarnas hygroskopiska egenskaper Av betydelse för partikeldepositionen i lungorna Hygroskopiska partiklar gör att minimat i depositionskurvan förskjuts mot mindre storlekar. Deposition minskar Deposition ökar

Partiklarnas hygoskopiska egenskaper Lungdeposition (Forsdala) Lungdepositionen (antal, yta,volym) kan beräknas med en tidsupplösning på 10 minuter.

Medelvärden av partikelantal, yta och volym uppmätta i Forsdala under mätkampanjen i januari-mars 2002 samt andel som deponeras i andningsvägarna. Antal (cm-3) Yta (m2/cm3) Volym (m3/cm3) Hela perioden 4910 120 4.7 Kallt (< -10 C) 8700 225 8.7 Varmt (> -10 C) 2880 63 2.6 Deponerad andel (hela perioden) Lungblåsorna 26% 10% 11% Bronker och svalg 8% 2% 3% Mun och näshäla 7% 16% 27% Totalt 43% 29% 41%

Exposure Chamber or Room Aerosol Ny metod för snabba mätningar av aerosolpartiklars deposition i andningsvägarna Avd. för Ergonomi och Aerosolteknik, Avd. för Kärnfysik (LU/LTH) Partiklarnas i både in- och utandningsluften mätes med avseende på antal och storlek. Skillnaden ger andelen partiklar som deponeras i andningsvägarna. APS DMA Exhaled Sample Drier CPC x Inhaled Sample T=40C SMPS Inhalation Port Snabb metod (~5 min.) Kan mätas i hemmet på arbetsplatsen eller i utomhusmiljö. Exposure Chamber or Room Aerosol Mätutrustningen

Partikeldeposition i andningsvägarna NaCl, Frisk manlig vuxen person