Az aeroszol részecskék víztartalmának hatása a tömegkoncentrációra
Title in English
Effect of aerosol water content on mass concentration
Keywords in Hungarian
PM10, higroszkópos növekedés, víztartalom, pozitív hiba
Keywords in English
PM10, hygroscopic growth, water content, positive bias
Discipline
Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Ortelius classification: Meteorology
Panel
Earth sciences 2
Department or equivalent
MTA-PE Air Chemistry Research Group (University of Pannonia)
Participants
Imre, Kornélia Jancsek-Turóczi, Beatrix Molnár, Ágnes Tóth, Ádám
Starting date
2015-01-01
Closing date
2018-12-31
Funding (in million HUF)
22.607
FTE (full time equivalent)
7.07
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az Európai Unió érvényben lévő rendelkezése (2008/50/EK irányelv) alapján a PM10 koncentráció napi átlagértéke nem haladhatja meg az 50 μg/m3, míg az éves átlag a 40 μg/m3 értéket. A jelenlegi szabályozás értelmében a határértéket meghaladó esetek száma nem lépheti túl az évi 35 napot. Továbbá, a riasztási szint elérése esetén korlátozó intézkedések bevezetése szükséges, ami hatással van mind a lakosság életvitelére, mind pedig a gazdaság működésére. Ezért fontos a PM10 koncentráció mérésére szolgáló módszer hibájának, illetve környezeti érzékenységének ismerete. Az aeroszol részecskék PM10 frakciójának online mérésére jelenleg béta-sugárzás abszorpció elven működő mintavevőket használnak. Referencia módszerként a gravimetriás mérés a nemzetközileg elfogadott. Az aeroszol részecskék tömegkoncentrációjának mérése során nagy bizonytalanságot okoz, hogy a részecskék tömegét és méretét a légkörben jelenlévő víz nagymértékben befolyásolja. Kutatásunk egyik fő céljaként tűztük ki a PM10 tömegkoncentráció mérésére szolgáló módszerek víztartalom által okozott mérési hibájának meghatározását. További cél olyan kondicionálási feltételek, mintavételi és mérőrendszer kialakítása, amelyek lehetővé teszik a víz zavaró hatásának kiküszöbölését. A kutatás során vizsgáljuk az aeroszol részecskék átlagos kémiai összetétele és a víztartalom közötti kapcsolatot, különös tekintettel a szerves hányad szerepére. Ezen kívül vizsgáljuk, hogy az év során hogyan változik az aeroszol részecskék higroszkópos növekedési tényezője, valamint, hogy ezt milyen módon lehet egyszerűen figyelembe venni az online mérések (BAM) korrigálására
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Az aeroszol részecskék víztartalma befolyásolja a tömegkoncentráció mérésének eredményét, ez a víztartalom mind a béta-pormérő, mind a gravimetriás módszernél pozitív hibát okozhat. Ebből adódóan az aeroszol tömegkoncentrációjának mérése akkor is pozitív hibával terhelt lehet, ha a két módszer egyébként azonos eredményt szolgáltat. Fontos ugyanakkor megjegyezni, hogy az aeroszol részecskék által megkötött víz egészségügyi szempontból nem jelent veszélyt.
Ezért kutatásunk során a következő kérdésekre keressük a választ:
- Mekkora hibát okoz az aeroszol részecskék víztartalma a béta sugárzás abszorpció elvén illetve a gravimetriás módszerrel történő tömegkoncentráció meghatározásában, különös tekintettel a speciális légköri helyzetekre (köd, szmog)?
- Milyen mintavételi- és mérőrendszer teszi lehetővé az aeroszol tömegkoncentrációjának a jelenleginél pontosabb online mérését a víz zavaró hatásának kiküszöbölésével?
- Milyen kondicionálási körülmények szükségesek az aeroszol tömegkoncentrációjának a jelenleginél pontosabb gravimetriás módszerrel történő meghatározásához a víz zavaró hatásának kiküszöbölésével?
- Hogyan befolyásolja a kémiai összetétel – különösen a szerves hányad – az aeroszol részecskék víztartalmát?
- Hogyan változik az év során az aeroszol részecskék higroszkópos növekedési tényezője és ez milyen módon vehető figyelembe az online mérések (BAM) korrigálására?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatásunk során az aeroszol részecskék víztartalma által okozott mérési hiba megismerésével lehetőségünk nyílik egy, a jelenleginél pontosabb tömegkoncentráció mérésére szolgáló módszer kidolgozására. Ezzel megvalósulhat egy, a víztartalom zavaró hatásának kiküszöbölésével történő tömegkoncentráció mérés mind az online működő béta-pormérő, mind a gravimetriás referencia módszer esetében. Ezen kívül meghatározunk egy olyan összefüggést, amellyel lehetővé válik a jelenlegi online mérések korrekciója is. Ezeket a kutatásokat az indokolja, hogy az aeroszol részecskék által megkötött víz egészségügyi szempontból ugyan nem jelent veszélyt, de pozitív hibát okoz a PM10 tömegkoncentráció meghatározásában, ezzel növelve a PM10 frakcióra vonatkozó, jelenleg hatályban lévő határértékek átlépésének esélyét. A jelenlegi szabályozás értelmében a határértéket meghaladó esetek száma nem lépheti túl az évi 35 napot. A riasztási szint elérése esetén korlátozó intézkedések bevezetése szükséges, ami hatással van mind a lakosság életvitelére, mind pedig a gazdaság működésére. A PM10 tömegkoncentráció pontosabb mérésével elkerülhetővé válik, hogy a szmogriadó riasztási fokozatát esetleg feleslegesen rendeljék el.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az EU rendelete alapján a 10 μm-nél kisebb aeroszol részecskék (PM10) koncentrációjának napi átlagértéke nem haladhatja meg az 50 μg/m3, míg az éves átlag a 40 μg/m3 értéket. A rendelet értelmében a határértéket meghaladó esetek száma nem lépheti túl az évi 35 napot. A riasztási szint (100 μg/m3) túllépésekor szmogriadó lép életbe, amikor korlátozó intézkedéseket vezetnek be (pl. forgalomkorlátozás, ipari létesítmények működésének korlátozása), ami hatással van mind a lakosság életvitelére, mind pedig a gazdaság működésére. Ezért fontos a PM10 koncentráció pontos mérése. Az aeroszol részecskék kémiai összetételük miatt képesek a légkörből vízgőzt megkötni. Ez a víz egészségügyi szempontból nem jelent veszélyt, de a vízfelvétel következtében a szállópor tömegkoncentrációja megnövekszik. Azokban az időszakokban, amikor a szállópor koncentrációja nagy, előfordulhat, hogy a részecskék víztartalma okozza azt a többlet mennyiséget, amely előidézi a határérték túllépését és pl. a szmogriadó elrendelését. A kutatás során egy olyan módszert dolgozunk ki, amely lehetővé teszi, hogy az aeroszol részecskék PM10 frakciójának meghatározása a részecskék vízmentes állapotában történjen
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. According to the regulations of the European Commission operative at present the daily average of PM10 concentration should not exceed 50 μg/m3, while the upper limit for the yearly average is 40 μg/m3. The number of transgressions of the daily limit should not exceed 35 days/year. Furthermore, in case of reaching the alert threshold (100 μg/m3) there is need for restrictions, which affect the way of life of the population as well as the economy. Hence knowledge on the reliability and environmental sensitivity of the method used for the measurement of the PM10 mass concentration is of great importance. The online measurement of PM10 mass concentration is carried out worldwide with instruments using the β-ray attenuation method. As a reference the gravimetric method is widely accepted. The biggest uncertainty in the measurement of the PM10 mass concentration is caused by the fact that atmospheric water may significantly influence the mass and size of the aerosol particles. One of the main objectives of our research is the quantification of the error in the determination of PM10 mass concentration caused by the water content of the aerosol particles. Another objective is to define appropriate conditioning circumstances and construct a sampling and measurement system that is suitable for the elimination of the interference of water. In the course of the project the relationship between the chemical composition and the water content of the aerosol particles will be investigated. Furthermore the seasonal variation of the hygroscopic growth factor of the aerosol particles will be studied as well as the possibility to take it into account for the correction of the online data.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The water content of the aerosol particles influences the result of the measurement of the PM mass concentration leading to positive error in both the beta attenuation monitor and the gravimetric method. Consequently, the results of the PM mass concentration measurements may contain positive bias even if the two methods yield identical values. It is important to note, however, that water physically retained in the particles does not cause health risk.
As an outcome of the project we aim at answering the following key questions:
What is the extent of the error in the online (BAM) and gravimetric measurements of PM10 mass concentration caused by the water content of the aerosol particles with particular regards to special atmospheric conditions (fog and smog events)?
How should the sampling and measurement system be modified for the online determination of PM10 mass concentration without the interference of retained water?
How should the conditioning circumstances be maintained for the gravimetric determination of PM10 mass concentration without the interference of retained water?
How does the chemical composition – especially the organic fraction – influence the water content of the aerosol particles?
How does the hygroscopic growth factor of the aerosol particles vary throughout the year and how can it be taken into account for the correction of the online (BAM) data?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. By revealing the error caused by the water content of the aerosol particles and optimizing the sampling and conditioning circumstances both the online and the gravimetric determination of PM10 mass concentration can be performed without the interference of retained water. Furthermore, a relationship will be defined which enables the correction of the results obtained by the current BAM method. The water content of the aerosol particles does not cause health risk but results in positive bias in the determination of PM10 mass concentration increasing the chance to exceed the operative threshold. According to the operative regulations the number of transgressions of the daily limit should not exceed 35 days/year. Furthermore, in case of reaching the alert threshold (100 μg/m3) there is need for restrictions, which affect the way of life of the population as well as the economy. With more reliable measurement of PM10 mass concentration the false commissions of smog alert can be avoided.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. According to the regulations of the European Commission operative at present the daily average of the concentration of particulate matter smaller than 10 micrometer (PM10) should not exceed 50 μg/m3, while the upper limit for the yearly average is 40 μg/m3. The number of transgressions of the daily limit should not exceed 35 days/year. Furthermore, in case of reaching the alert threshold (100 μg/m3) there is need for restrictions (e.g. traffic restriction, limitation of the operation of industrial plants), which affect the way of life of the population as well as the economy. This indicates the importance of the exact measurement of PM10 mass concentration. The aerosol particles can take up water vapour from the atmosphere. This water content does not cause health risk but increases the PM10 mass concentration. In periods when the concentration of PM10 is high the water content of the aerosol particles may cause the exceedance of the threshold and commission of smog alert. For this reason the measurement of the PM10 mass concentration should be performed on dry aerosol. In the course of the project a method will be elaborated which enables the measurement of the PM10 mass concentration without the interference of water.
Final report
Results in Hungarian
A projektben azt tanulmányoztuk, hogy a légkörben található vízgőz milyen hatással van a PM10 mért tömegkoncentrációjára. Vizsgálataink kiterjedtek mind a gravimetriás mérésekre, mind a béta sugárzás elnyelésének elvén működő monitorokra. A PM10 tömegkoncentrációja meghatározásában fellépő hibát mennyiségileg jellemeztük nyolc, mind a négy évszakra kiterjedő mintavételi kampány során. Az aeroszol részecskék víztartalma akár 15%-os pozitív mérési hibát is okozhat a PM10 24-órás átlagos tömegkoncentrációjában. Eredményeink alapján javaslatot tettünk olyan kondicionálási körülményekre, amelyek minimalizálják a részecskékhez kötött víz zavaró hatását a gravimetriás mérések során. A béta abszorpciós monitor vizsgálata során azt találtuk, hogy a PM10 24-órás átlagos tömegkoncentrációjában a legtöbb évszakban 15-20%-os pozitív hiba van. Kimutattuk azt is, hogy a béta abszorpciós monitorban levő szűrő vízfelvétele jelentősen torzítja a néhány órás PM10 átlagkoncentrációkat. A hiba nagysága összemérhető volt a Budapest külvárosában mért száraz PM10 értékekkel. A víz zavaró hatásának kiküszöbölésére egy diffúziós szárítót tartalmazó rendszert építettünk és teszteltünk. Vizsgáltuk továbbá a víztartalom és a kémiai összetétel kapcsolatát is. A PM10 higroszkóposságának figyelembe vételére egyszerű, valós idejű módszerre lenne szükség. Kimutattuk, hogy a látótávolság adatokból származtatott növekedési tényező jó alapot szolgáltathat a higroszkóposságot figyelembe vevő ún. proxy eljárásnak.
Results in English
In this project the effect of atmospheric water vapour on the measured PM10 aerosol mass concentration was studied. The investigations covered both gravimetric measurements and monitors working on the beta attenuation principle. The extent of the bias in the gravimetric determination of PM10 mass concentration was quantified in eight sampling campaigns covering all four seasons. It was found that the water content of the aerosol particles led to the overestimation of the daily PM10 mass concentrations by up to 15%. On the basis of the project results conditioning circumstances were defined in order to avoid the interference of particle-bound water in gravimetric measurements. By studying beta attenuation monitors it was concluded that the daily PM10 concentrations were overestimated by 15-20% in most seasons. It was also shown that the water uptake of the filter in the beta attenuation monitor can significantly distort PM10 measurements with a time resolution on the hour scale. The magnitude of the bias was comparable to the dry PM10 values in suburban Budapest. In order to avoid the interference of water a monitoring system including a diffusion dryer was built and tested. The connection between the water content and chemical composition was also investigated. To consider the hygroscopic growth of PM a simple, quasi-real time method would be necessary. We found that visibility derived mass growth could provide a simple basis to construct a proxy for hygroscopic growth of PM.
Imre Kornélia, Molnár Ágnes, Tóth Ádám, Kiss Gyula: Légköri vízgőz hatása a PM10 koncentrációra, XIII. Magyar Aeroszol Konferencia, Pécs, április 19-20., 2017
Molnár Ágnes, Imre Kornélia, Tóth Ádám és Kiss Gyula: Látótávolság és aeroszol részecskék, 43. Meteorológiai Tudományos Napok, Budapest, november 23-24, 2017
