Κάθε χρονιά στην ΕΜΥ έχουμε την χαρά και την τιμή να υποδεχόμαστε φοιτητές οι οποίοι κάνουν την Πρακτική Άσκησή τους σε πολλούς τομείς της Μετεωρολογίας και στο τέλος μας παραδίδουν μια εργασία σχετικά με το αντικείμενο που απασχολήθηκαν. Σήμερα θα παρουσιάσουμε εργασία της Αναστασίας Γαρδέλη & Δέσποινας; Σαββίδη (Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, ΕΜΠ, Ζωγράφου) . Η εργασία έγινε υπό την καθοδήγηση του συναδέλφου Δρ. Αθανασίου Σαραντόπουλου της Διεύθυνσης Κλίματος, Περιβάλλοντος και Μετεωρολογικών Παρατηρήσεων της ΕΜΥ.
Σκοπός της συγκεκριμένης μελέτης ήταν η ανάλυση των δεδομένων αιωρουμένων σωματιδίων PM 2.5 για το 2022 για διάφορες περιοχές της Αττικής μέσω ενός προγράμματος της Python. Πραγματοποιείται υπολογισμός των μέσων ημερήσιων και μηνιαίων τιμών του PM 2.5 με σκοπό το χαρακτηρισμό της ποιότητας αέρα κάθε περιοχής, τον έλεγχο συμβατότητας αυτών με την Οδηγία της Ευρωπαϊκής ΄Ενωσης για την ατμοσφαιρική ρύπανση και τη συσχέτιση της συγκέντρωσης αυτών των σωματιδίων με την ταχύτητα του ανέμου.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Τα σωματίδια PM 2.5 είναι μικροσκοπικά σωματίδια (στερεά ή υγρά), κάτω των 2.5 εκατομμυριοστών του μέτρου, που υπάρχουν στον αέρα και δεν παρατηρούνται με γυμνό μάτι παρά μόνο με μικροσκόπιο. Τα σωματίδια μετριούνται σε μικρόμετρα όπου κάθε mμ είναι όσο 1 χιλιοστό του χιλιοστού (106 του μέτρου). 
Το σχήμα του σωματιδίου, το υλικό του και η κατανομή του σχήματος και της μάζας του οποίου είναι κατασκευασμένα, ποικίλλουν δραματικά από περιοχή σε περιοχή και από περίοδο σε περίοδο. Για να φανταστούμε πόσο μικρό είναι σωματίδιο κάτω από 2,5 μm αρκεί να αναλογιστούμε ότι η ανθρώπινη τρίχα έχει διάμετρο 50-70 mμ (δείτε σχήμα) . Οι εκπομπές του προέρχονται κυρίως από την καύση βενζίνης, λαδιών, πετρελαίου και ξύλων. Η μικρή διάσταση αυτών των σωματιδίων τα καθιστά πολύ επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία, καθώς έχουν τη δυνατότητα να διεισδύουν στους πνεύμονες και έπειτα είτε να ¨κολλάνε’ εκεί, είτε να περνάνε με τη βοήθεια του αίματος σε διάφορα όργανα προκαλώντας πολλές σοβαρές ασθένειες.
Τα δεδομένα ρύπανσης για τη συγκεκριμένη μελέτη λήφθηκαν από το Υπουργείο Περιβάλλοντος και Ενέργειας. Το δίκτυο σταθμών στην περιοχή Αττική το λειτουργεί το Τμήμα Ποιότητας Ατμόσφαιρας για τις ανάγκες του Προγράμματος Διασυνοριακής Μεταφοράς της Ρύπανσης. Οι περιοχές της Αττικής που εξετάζονται με το γεωγραφικό τους μήκος και πλάτος αντίστοιχα είναι οι εξής: Αγία Παρασκευή (23.819421 37.995110), Πειραιάς: (23.645230 37.944656) και Ελευσίνα: (23.538432 38.051322).
Η μέτρηση των ρύπων γίνεται σε συνεχή βάση καθ’ όλη τη διάρκεια του 24ώρου σε τοπική ώρα Ελλάδος και μονάδα μέτρησης µg/m3 . Ο χρόνος απόκρισης των αυτομάτων αναλυτών είναι της τάξης του ενός λεπτού, δηλαδή ο κάθε αναλυτής δίνει μια τιμή περίπου κάθε λεπτό. Με ένα μικροεπεξεργαστή, που βρίσκεται σε κάθε αυτόματο σταθμό και που είναι συνδεδεμένος με τους αυτόματους αναλυτές, υπολογίζονται κάθε ώρα οι μέσες ωριαίες τιμές ρύπανσης.
Οι τιμές αυτές μεταβιβάζονται σε έναν κεντρικό υπολογιστή, μέσω τηλεφωνικής γραμμής και με αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η συνεχής παρακολούθηση των επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης της περιοχής.
Για τη συσχέτιση του ανέμου με την ατμοσφαιρική ρύπανση που προκαλούν τα σωματίδια PM 2.5 εξετάζονται τα δεδομένα της ταχύτητας του ανέμου σε κόμβους μόνο από την περιοχή της Ελευσίνας, καθώς εκεί ο σταθμός μέτρησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και της ταχύτητας του ανέμου βρίσκονται κοντά (απόσταση ενός χιλιομέτρου). Οι μετρήσεις είναι τρίωρες και λαμβάνονται σε διεθνή ώρα UTC.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
3.1. Εγκυρότητα Δεδομένων
Σύμφωνα με τις οδηγίες της Ευρωπαϊκής ΄Ενωσης και του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος απαιτείται η ύπαρξη τουλάχιστον του 75% των ωριαίων παρατηρήσεων ανά ημέρα για τον έγκυρο υπολογισμό της ημερήσιας μέσης τιμής της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 στην ατμόσφαιρα. Αντίστοιχα η εγκυρότητα των μετρήσεων της ταχύτητας του ανέμου εξετάζεται με τον κανόνα υπολογισμού των ημερήσιων τιμών ταχύτητας του ανέμου, ο οποίος είναι ο εξής: ¨Η ημερήσια τιμή προκύπτει ως μέση τιμή όλων των διαθέσιμων συνοπτικών παρατηρήσεων, εφ’ όσον όμως υπάρχουν τουλάχιστον τρεις συνοπτικές παρατηρήσεις, όπου η πρώτη με την τελευταία διαφέρουν 12 ώρες. Για να είναι έγκυρη, ακόμη, η σύγκριση αυτών των δύο ποσοτήτων χρειάζεται να βρίσκονται σε κοινό σύστημα μέτρησης χρόνου. Στη συγκεκριμένη περίπτωση επιλέχθηκε η τοπική ώρα Ελλάδος. Για αυτό το λόγο η ώρα μέτρησης των δεδομένων της ταχύτητας του ανέμου μετατράπηκε ανάλογα.
3.2. Στατιστική Ανάλυση της συγκέντρωσης σωματιδίων PM 2.5
Μετά από το κατάλληλο παραπάνω φιλτράρισμα των δεδομένων συγκέντρωσης των αιωρουμένων σωματιδίων PM 2.5 στην ατμόσφαιρα υπολογίζονται οι στατιστικές τιμές (μέση, μέγιστη, ελάχιστη τιμή) των 24 ωρών όλου το έτος, όπως επίσης οι στατιστικές τιμές (μέση, μέγιστη, ελάχιστη τιμή) για τις 365 μέρες του έτους, οι μηνιαίες μέσες τιμές και η ετήσια μέση τιμή. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα προέκυψαν τα αντίστοιχα γραφήματα:
Σχήμα 1: Μέση Τιμή PM 2.5 ανά ΄Ωρα για όλους τους σταθμούς
Από το παραπάνω γράφημα παρατηρείται ότι υπάρχουν πολλές διακυμάνσεις στη μέση τιμή ανά ώρα της συγκέντρωσης του ΡΜ2.5, με τις υψηλότερες τιμές να τις καταγράφει ο σταθμός της Ελευσίνας από τις 23:00 έως τη 01:00 και
τις χαμηλότερες ο σταθμός του Πειραιά από τις 13:00 μέχρι τις 19:00. Η Αγία Παρασκευή δεν εμφανίζει σχεδόν καθόλου αυξομειώσεις στις τιμές της (όλες είναι γύρω στο 12).
Σχήμα 2: Ραβδογράμματα Μέσης Τιμής PM 2.5 ανά Μήνα για κάθε σταθμό
Αντίστοιχα από τα παραπάνω ραβδογράμματα των μέσων μηνιαίων τιμών συγκέντρωσης PM 2.5 προκύπτει πως για την Αγία Παρασκευή οι τιμές δεν παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους και είναι όλες τους σχετικά χαμηλές, με μέγιστες τιμές τους μήνες Μάρτιο και Αύγουστο. Για τον Πειραιά η μέγιστη μέση μηνιαία τιμή για το PM 2.5 σημειώνεται το Δεκέμβριο, ενώ η ελάχιστη τιμή το Σεπτέμβριο με μικρή διαφορά από τον Ιούλιο. Με τον ίδιο τρόπο, γίνεται αντιληπτό πως για την Ελευσίνα η μέγιστη μέση μηνιαία τιμή καταγράφεται και σε αυτήν την περιοχή της Αττικής το Δεκέμβριο, όμως η ελάχιστη καταγράφεται τον Ιούλιο.
Από τα παραπάνω, εξάγεται ότι ο Ιούλιος του 2022 και για τις τρεις περιοχές της Αττικής έχει μικρή μέση μηνιαία συγκέντρωση PM 2.5 στην ατμόσφαιρα, ενώ ο Δεκέμβριος αντίστοιχα έχει σχετικά μεγάλη.
3.3. Χαρακτηρισμός της ποιότητας του αέρα
Με βάση την κλίμακα που έχει ορισθεί για τις χώρες της Ευρώπης η ποιότητα του αέρα με βάση το PM 2.5 κατηγοριοποιείται με τον παρακάτω τρόπο:
Σχήμα : Κλίμακα χαρακτηρισμού ποιότητας αέρα με βάση το PM2.5
Χρησιμοποιώντας τις στατιστικές τιμές που υπολογίστηκαν παραπάνω προκύπτει ο ακόλουθος πίνακας:
Περιοχή της Αττικής
Πίνακας 1: Χαρακτηρισμός της Ποιότητας του Αέρα με βάση τη Συγκέντρωση PM 2.5 για κάθε περιοχή
Με αυτόν τον τρόπο από τον Πίνακα 1 εξάγεται πως για την Αγία Παρασκευή η ποιότητα αέρα για όλους τους μήνες του 2022 χαρακτηρίζεται ως μέτρια, ενώ για τον Πειραιά τις εποχές άνοιξη, καλοκαίρι, φθινόπωρο ως μέτρια και το χειμώνα ως χαμηλή. Για την Ελευσίνα η ποιότητα αέρα για το 2022 χαρακτηρίζεται είτε ως μέτρια είτε ως χαμηλή ως προς τη συγκέντρωση PM 2.5 στην ατμόσφαιρα ανάλογα με το μήνα εξέτασης, δηλαδή εκτός της περιόδου, Ιούλιο με Οκτώβριο, όπου η ποιότητα χαρακτηρίζεται ως μέτρια, οι υπόλοιποι μήνες του χρόνου χαρακτηρίζονται από χαμηλή ποιότητα αέρα.
΄Οπως προηγουμένως, προκύπτει ότι και στις τρεις περιοχές της Αττικής τους χειμερινούς μήνες του 2022 η ποιότητα αέρα ήταν χαμηλή. Μία πιθανή εξήγηση για την αύξηση της συγκέντρωσης του PM 2.5 το χειμώνα συνιστά η οικιακή θέρμανση. Το χειμώνα λόγω πολύ χαμηλών θερμοκρασιών γίνεται καύση διάφορων υλών για τη θέρμανση των σπιτιών, γεγονός που επιφέρει αυξημένη ατμοσφαιρική ρύπανση.
3.4. Προδιαγραφές
Σύμφωνα με την τελευταία Οδηγία που δημοσιεύθηκε στην Επίσημη Εφημερίδα της Ευρωπαϊκής ΄Ενωσης την 1.1.2020 τίθεται το εξής όριο, στα Κράτη Μέλη, για τα αιωρούμενα σωματίδια PM 2.5 :
Ο ετήσιος μέσος όρος να είναι ≤ 20µg/m 3
Κάνοντας την κατάλληλη επεξεργασία των δεδομένων των αιωρουμένων σωματιδίων PM 2.5 σχεδιάζεται ο παρακάτω πίνακας:
Πίνακας 2: Συμβατότητα των Τιμών PM 2.5 των τριών περιοχών με την Οδηγία της Ευρωπαϊκής Ενωσης
Από τον Πίνακα 2 συμπεραίνεται ότι όλες οι περιοχές της Αττικής υπακούν την οδηγία της Ε.Ε., ενώ έχουν και περιθώριο αύξησης μέχρι να την παραβιάσουν (χωρίς αυτό να σημαίνει πως είναι επιθυμητό).
3.5. Συσχέτιση με την ταχύτητα του αέρα για την περιοχή της Ελευσίνας
Όπως έχει ήδη διευκρινιστεί στην εισαγωγή η συσχέτιση των δεδομένων πραγματοποιείται αποκλειστικά για την περιοχή της Ελευσίνας. Συνδυάζοντας, λοιπόν, τα δεδομένα της συγκέντρωσης σωματιδίων PM 2.5 και της ταχύτητας του ανέμου για αυτή την περιοχή προσδιορίζεται αριθμητικά ο συντελεστής συσχέτισης τους. Η τιμή του είναι: −0.61, δηλαδή βρίσκεται ανάμεσα στις τιμές [-0.79, -0.60] και άρα θεωρείται πως η συσχέτιση μεταξύ του PM 2.5 και της ταχύτητας του ανέμου είναι αρνητική και ισχυρή. Αυτό σημαίνει πως η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου έχει ως ακόλουθο τη μεγαλύτερη διάχυση των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα και εν τέλει προκαλεί ανάλογη μείωση της συγκέντρωσης αιωρουμένων σωματιδίων PM 2.5 στην ατμόσφαιρα και το αντίθετο.
Για τη γραφική απεικόνιση της συσχέτισης πραγματοποιείται γραμμική παλινδρόμηση στα δεδομένα και το παραγόμενο γράφημα είναι το ακόλουθο:
Σχήμα 5: Διάγραμμα Συσχέτισης Συγκέντρωσης PM 2.5 με την ταχύτητα ανέμου Γραμμική Παλινδρόμηση (κόκκινη γραμμή)
Με το παραπάνω γράφημα επιβεβαιώνεται το συμπέρασμα που εξήχθη από τον αριθμητικό υπολογισμό της συσχέτισης. Με άλλα λόγια παρατηρείται έντονη συσχέτιση, αφού σχηματίζεται μια ευθεία γραμμή από τα αριστερά προς τα δεξιά και με φορά από πάνω προς τα κάτω, που έχει διακριτή κλίση. Οι ακραίες τιμές, δηλαδή τα απόμακρα σημεία της γραφικής είναι αυτά που μειώνουν τη συσχέτιση των δύο μεταβλητών, ενώ η κόκκινη γραμμή αντικατοπτρίζει τη γραμμή παλινδρόμησης δείχνοντας τη γραμμική συσχέτιση των δεδομένων.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης αποδεικνύεται πως η Ελευσίνα αποτελεί περιοχή με χαμηλή ποιότητα αέρα βάσει της συγκέντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 στην ατμόσφαιρα. Γεγονός που είναι λογικό, αφού στη συγκεκριμένη περιοχή εδρεύουν πολλά εργοστάσια που συμβάλλουν στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Η ποιότητα του αέρα στον Πειραιά είναι κυρίως μέτρια με εξαίρεση το χειμώνα που είναι χαμηλή. Αυτό δεν προξενεί έκπληξη εφόσον είναι πυκνοκατοικημένη περιοχή και με την πτώση της θερμοκρασίας αυξάνεται η καύση θερμαντικών υλών. Τέλος, η περιοχή της Αγίας Παρασκευής, που δεν χαρακτηρίζεται ως βιομηχανική και είναι πιο αραιοκατοικημένη από τον Πειραιά, εμφανίζει όλο το χρόνο μέτρια ποιότητα αέρα. Παρόλα αυτά καμιά από τις εξεταζόμενες περιοχές δεν έρχεται αντιμέτωπη με το πρόβλημα μη συμβατότητας της Οδηγίας της Ευρωπαϊκής ΄Ενωσης ΄Οσον αφορά τη συσχέτιση του PM 2.5 με την ταχύτητα του ανέμου στην Ελευσίνα αποδείχτηκε πως είναι υπαρκτή και σχετικά έντονη. Επομένως, οι ισχυροί άνεμοι μπορούν και μειώνουν σε ικανοποιητικό βαθμό τη συγκέντρωση αυτών των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα.
ΕΠΙΛΟΓΟΣ
Καταληκτικά, συνάγεται πως η ποιότητα του αέρα της Αττικής μπορεί να χαρακτηριστεί γενικά ως μέτρια προς χαμηλή και πως η ύπαρξη ανέμων την επηρεάζει αρκετά. Είναι αναγκαίο βέβαια να διευκρινιστεί πως η ποιότητα του αέρα δεν προσδιορίζεται μόνο από τη συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων PM 2.5 στην ατμόσφαιρα, αλλά και από άλλα σωματίδια, όπως PM 10 , NO 2 και O3 . Συνεπώς, για μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην Αττική και της συσχέτισης της με την ταχύτητα του ανέμου πρέπει να εξεταστούν και τα υπόλοιπα σωματίδια μεμονωμένα αλλά και ολικά.
Κλείνοντας θέλουμε να ευχαριστήσουμε τα Εκπαιδευτικά Ιδρύματα της χώρας μας για το υψηλό επίπεδο εκπαίδευσης που δίνουν στους φοιτητές μας και φυσικά ευχαριστούμε και τις φοιτήτριες για την εξαιρετική κατάρτιση και την αγάπη που έδειξαν για το αντικείμενο της πρακτικής τους άσκησής όσο χρονικό διάστημα ήταν στην ΕΜΥ . Τους ευχόμαστε καλή σταδιοδρομία και μακάρι στο μέλλον να έχουμε την δυνατότητα να βρίσκονται κοντά μας τέτοιοι νέοι άνθρωποι με ζήλο για εκπαίδευση, αλλά και για δουλειά και συνεργασία.