Partikler i luften i København Miljøkontrollen, Københavns Kommune 24 Udarbejdet af Danmarks Miljøundersøgelser 1
Partikler i luften i København Udgivet af: Miljøkontrollen, Københavns Kommune 24 Udarbejdet af: Danmarks Miljøundersøgelser Forfattere: Peter Wåhlin, Finn Palmgren Rapporten findes elektronisk på Miljøkontrollens hjemmeside: www.miljoe.kk.dk eller www.kk.dk/luftudsigt Miljøkontrollen Kalvebod Brygge 45 Postboks 259 152 København V Telefon: 33 66 58 Telefax: 33 66 71 33 e-mail: miljoe@miljoe.kk.dk 2
Forord 4 1 Sammenfatning og konklusioner 5 2 Data fra H.C. Andersens Boulevard 7 2.1 Oversigt over de foreliggende data 7 3 Dataanalyse 9 3.1 PM 1 /NO x forholdet 1 3.2 Størrelsesfordelingen af partiklerne 13 3.3 Bestemmelse af trafikkilder (faktoranalyse) 14 3.4 Hvordan dannes de ultrafine trafikpartikler? 16 3.5 PM 1 -data og grænseværdier 17 3.6 Kildebidrag til PM 1 og PM 2.5 21 Referencer 25 3
Forord Københavns Kommunes Miljøkontrol og DMU har i 21 etableret et samarbejde om undersøgelse af luftforureningen med partikler i København. DMU udarbejdede i 22 - i et samarbejde med Københavns Universitet - en rapport, der omfattede en vurdering af eksisterende viden på området, bl.a. om de kemisk/fysiske egenskaber af partikler, de væsentligste kilder samt sundhedsmæssige aspekter af denne type luftforurening (Palmgren et al. 23). Nærværende rapport er en opdatering med hensyn til nye måledata om partikelforureningen. Data, som ligger til grund for rapporten, stammer fra Miljøkontrollens målinger, LMP IV (Kemp & Palmgren, 23) og specielle målinger af partikler, som Miljøkontrollen har iværksat i samarbejde med DMU. 4
1 Sammenfatning og konklusioner En opdatering og analyse af partikelmåleresultater fra H. C. Andersens Boulevard blev gennemført for data indsamlet fra 1. juli 22 til 3 juni 23. Nærværende rapport er en opfølgning af tidligere rapport om partikelforureningen i København (Palmgren et al., 23). I det følgende er givet er kort resumé af resultaterne. Forholdet mellem PM 1 og NO x bruges ofte til vurdering af PM 1 ved hjælp af NO x data. Imidlertid viste analysen fra H. C. Andersens Boulevard, at dette forhold afhænger stærkt af partikelbidraget fra den del af partikelforureningen, som ikke stammer fra bilernes udstødning. Ophvirvling af støv, vej- og dækslid, grusning og saltning synes af påvirke dette forhold væsentligt, d.v.s. at vejret og kørebanens beskaffenhed spiller en stor rolle for forekomsten af PM 1. Partikelantallet på H.C. Andersens Boulevard er helt domineret af de ultrafine partikler fra trafikkens motoremissioner. Hvis der monteres effektive filtre på de mest forurenende køretøjers udstødning, vil koncentrationen af partikler regnet som antal altså kunne nedsættes betydeligt. Ved hjælp af de målte størrelsesfordelinger kan der omregnes til partikelvolumen. Partikelvolumen kan betragtes som et rimeligt godt mål for partiklernes masse i størrelsesområdet <.7 µm. Regnet på denne måde er det de sekundære fjerntransporterede partikler, der giver det største bidrag, men trafikkens bidrag, som især skyldes sodpartiklerne fra udstødningen, er også betydeligt. De ultrafine og fine partikler fra trafikken kunne opdeles i 3 hovedkategorier: 1) nanopartikler med en diameter på omkring 12 nm, som stammer fra svovl i brændstof, 2) flygtige partikler med en diameter omkring 24 nm, som dannes ved kondensation af brændstof og smøreolie på nanopartikler og 3) sodpartikler - med kondenseret brændstof, smøreolie og andre organiske forbindelser - med en diameter på omkring 55 nm. Ved hjælp af en faktoranalyse blev bidrag fra varetrafik, taxi er, privatbiler og busser identificeret. Da faktoranalysen ikke kan separere de forskellige kategorier fuldstændigt, er der ikke forsøgt en kvantificering af bidragene. PM 1 forureningen på H. C. Andersens Boulevard blev analyseret og sammenlignet med grænseværdier. Års-gennemsnittet blev bestemt til 43,7 µg/m 3, som ligger over grænseværdien på 4 µg/m 3. Der blev konstateret 91 overskridelser af 5 µg/m 3 på årsbasis, hvilket skal sammenlignes med de tilladte 35 overskridelser, altså også en overskridelse af grænseværdien. PM 1 bidraget fra trafik (og andet lokalt bidrag) og baggrund (fjerntransport) blev opdelt i henholdsvis fine partikler (PM 2.5 ) og grove partikler (PM 1 -PM 2.5 ). Trafikbidraget var henholdsvis 16 og 29 % og fjerntransportbidraget 45 og 1 %. De grove trafikpartikler skyldes især ikke-udstødning (vejslid m.v.). 5
De igangværende målinger har givet nye og relevante oplysninger om partikelforureningen i København, som kan bl.a. bruges til, vurdering af forureningsniveauet i forhold til grænseværdier, kvantificering af bidrag fra forskellige kilder, specielt trafikkens udstødning og ikke-udstødning (vejslid, dækslig, bremser m.v.), med henblik på valg af effektive metoder til begrænsning af partikelforureningen, og bedre vurdering af partikelforureningens helbredsmæssige effekter. 6
2 Data fra H.C. Andersens Boulevard Luftkvaliteten på H.C. Andersens Boulevard følges løbende ved hjælp af målinger af både partikler og en række gasarter. Målestationen er placeret på gadens nordlige side i rabatten mellem cykelstien og kørebanerne. Nærmeste naboer er brandstationen og rådhuset. På den anden side af gaden ligger Tivoli. Målestationen tilhører Københavns Kommune, men Danmarks Miljøundersøgelsers afdeling for atmosfærisk miljø (ATMI) har ansvaret for den daglige drift. En vigtig anvendelse af data fra stationen er overvågning i forbindelse med de gældende grænseværdier. De lange dataserier anvendes desuden til en nøjere analyse af, hvor meget forskellige kilder i gennemsnit bidrager. 2.1 Oversigt over de foreliggende data Til støtte for analysen af luftkvaliteten på H.C. Andersens Boulevard findes fra marts-april 21 næsten ubrudte måleserier med halvtimemiddelværdier af gasserne CO (carbonmonoxid), NO (nitrogenmonoxid) og NO x (summen af nitrogenmonoxid og nitrogendioxid). Partikler er blevet målt i kampagner siden slutningen af juli 21, dels med TEOM-monitor (PM 1 ), dels med DMPS (antalsmæssige partikelfordelinger i størrelsesintervallet 6 nm - 7 nm). Siden midten af maj 22 er der desuden målt PM 2.5, ligeledes med TEOMmonitor. Også disse målinger er foretaget på halvtimebasis, så de umiddelbart kan sammenstilles med målingerne af gasserne. ATMI har desuden på eget initiativ foretaget målinger (timemiddelværdier) af EC ( elemental carbon eller sod) med ACPM-monitor i en 4-5 måneder lang kampagne i efteråret 21. Målingerne frem til 1. juli 22 er tidligere rapporteret i Luftforurening med partikler i København,Faglig rapport fra DMU, nr. 433, 23 I Figur 1 og Figur 2 er givet en oversigt over alle de foreliggende målinger siden 1. juli 22 og frem til 1. juli 23, dog er partikelkoncentrationerne i de enkelte størrelsesklasser ikke medtaget for DMPSmålingernes vedkommende. Af pladshensyn er kun medtaget de integrerede værdier af størrelsesfordelingerne, partikelkoncentration ( Partikler ) og volumenkoncentration ( Volumen ). De tilsvarende middelværdier, medianer og 98%-percentiler er i vist i Tabel 1. De manglende DMPS-målinger skyldes tekniske problemer. Tabel 1 Middelværdier, medianer og 98%-percentiler for perioden 1. juli 22 1. juli 23. PM 1 PM 2.5 CO NO NO x NO 2 Partikler Volumen Enhed (µgm -3 )(µgm -3 ) (ppm) (ppb/ µgm -3 ) (ppb) (ppb/ µgm -3 ) (cm -3 ) (µm 3 cm -3 ) Middelværdi 35, 18,3,85 57,8/ 72,3 9,3 32,5/ 62,3 33354 17.9 Median 29,5 15,3,72 4,8/ 51, 73,6 3,7/ 58,8 27599 14,4 98%-percentil 96,3 52,3 2,34 29,7/ 262, 268,2 67,8/ 13, 99771 54,6 Antal målinger 1715 17181 16811 1681 1681 1681 8489 8489 7
7 CO 6 5 ppm 4 3 2 1 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 8 NO 7 6 5 ppb 4 3 2 1 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 ppb NOx 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 25 Partikler 2 cm -3 15 1 5 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 Figur 1 Målingerne i perioden 1. juli 22 1. juli 23 på H.C. Andersens Boulevard af gasser og partikelantal. Beregnede ugemiddelværdier er vist med rødt. 8
4 PM1 35 3 1-1-23 :3: 115 µgm -3 µgm -3 25 2 15 1 5 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 2 PM2.5 175 15 1-1-23 :3: 99 µgm -3 µgm -3 125 1 75 5 25 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 14 Volumen 12 1 µm 3 cm -3 8 6 4 2 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 Figur 2 De foreliggende målinger i perioden 1. juli 22 1. juli 23 på H.C. Andersens Boulevard af PM1, PM2.5 og partikelvolumen. De meget høje maksimumkoncentrationer af PM1 og PM2.5 nytårsnat er angivet specielt, da de ligger langt uden for skalaen. Beregnede ugemiddelværdier er vist med rødt. De høje niveauer august-september 22, samt februar-marts 23, kan sættes i forbindelse med skov- og markbrande i Østeuropa (fjerntransport). 3 Dataanalyse Det er af stor betydning for den videre analyse, at målingerne er foretaget med høj tidsopløsning, da specielt trafikken herved er let at skelne fra andre kilder. For yderligere at gøre bidraget fra trafikken tydeligt anvendes også data målt i bybaggrund (ATMI s målestation på H.C. Ørsted Institutets tag). Ved at subtrahere disse målinger fra gademålingerne kan bidrag fra fjerne kilder (fjerntransport) elimineres. Da NO x kan betragtes som en særdeles god indikator for trafikemission, lægges der særlig vægt på at bestemme forholdet mellem trafikkens emission af partikler og den samtidige emission af NO x. 9
3.1 PM 1 /NO x forholdet Alle målingerne udviser en markant døgn- og ugevariation i takt med trafikken. Dette kan ikke umiddelbart ses af Figur 1 og Figur 2, da målepunkterne ligger for tæt. For mere tydeligt at demonstrere samvariationen med trafikken er der i Figur 3 og Figur 4 halvtime for halvtime udregnet værdier for en middeluge fra de perioder, hvor der foreligger samtidige målinger af gasser, PM 1, PM 2.5 og partikelantal. NO 2 (NO x minus NO) er vist i stedet for NO. Det ses, at samvariationen er god, dog er det tydeligt, at den relative døgnvariationen (dag/nat-forholdet) for PM 1, PM 2.5 og partikelvolumen er mindre end for CO, NO x og partikelantal. For NO 2 er den relative døgnvariation også mindre og giver ved sammenligning med variationen af NO x et indtryk af, at toppen i dagtimerne er skåret af i en højde på ca. 4 ppb. Årsagen til dette er, at kun en lille del af NO x en fra trafikken emitteres direkte som NO 2. Den største del dannes i gaderummet ud fra NO ved reaktion med fjerntransporteret O 3 (ozon), NO + O 3 NO 2 + O 2, hvilket altså betyder, at dannelsen af ét molekyle NO 2 kræver tilstedeværelsen af ét molekyle O 3. Denne omdannelse begrænses derfor af, at ozonen kun er tilstede i mindre mængder. I den pågældende gennemsnitsuge blev der midt på dagen målt 4 ppb O 3 ved landstationen Lille Valby uden for København. Dette tal kan bruges som et mål for hvor meget NO, der maksimalt i gennemsnit kan omdannes til NO 2 ved reaktion med O 3 i Københavns gader. For PM 1, PM 2.5 og partikelvolumen findes der betydelige kilder, som varierer uafhængigt af trafikken. Her spiller især de fjerntransporterede partikler en stor rolle. NO x fra fjerner kilder omdannes undervejs til andre forbindelser, og derfor stammer NO x i gaden næsten udelukkende fra den lokale trafik, hvilket afspejler sig i en meget stor forskel på niveauet i dagtimerne og om natten. Koncentrationen i morgenmyldretiden er ca. 6 gange højere end minimumniveauet om natten. For PM 1 er forholdet væsentligt mindre, og mindre endnu for PM 2.5 og partikelvolumen. De lokale bidrag til koncentrationerne af PM 1 og NO x på H.C. Andersens Boulevard kan tilnærmelsesvis beregnes ved at subtrahere de samtidigt målte bybaggrundskoncentrationer på H.C. Ørsted Institutets tag. Figur 5 viser forholdet mellem de baggrundskorrigerede døgnmiddelværdier af PM 1 og NO x. Det ses, at dette forhold er meget varierende fra dag til dag, og at der desuden også kan ses en tydelig årstidsvariation. Også time for time i løbet af en gennemsnitsuge er forholdet noget varierende (Figur 6). Årsagen til den store variation i forholdet er ikke fuldt forstået, men det er sandsynligt, at der først og fremmest er tale om ophvirvlede partikler fra vejbanen, og at vejbanens beskaffenhed (fx. fugtighed) og saltningen om vinteren spiller en væsentlig rolle. De høje vintertoppe, som ses i Figur 5, svarer ret nøje til meget høje koncentrationer af klor målt i TSP på samme dage på H.C. Andersens Boulevard. Bortset fra disse toppe synes der er være en tendens til, at PM 1 /NO x - forholdet er højest i foråret og om sommeren, hvor vejene er mere tørre end i efteråret og om vinteren. 1
ppm 1.8 1.6 1.4 1.2 1.8.6.4.2 CO MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG ppb 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 NOx MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG ppb 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 NO2 MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG 7 Partikler 6 5 cm -3 4 3 2 1 MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG Figur 3 Variationen af gasser og partikler i løbet af en middeluge. Variationen skyldes dels den skiftende trafikintensitet, dels fortyndingens afhængighed af de meteorologiske forhold. For NO 2 er der en begrænsning opadtil bestemt af koncentrationen af fjerntransporteret ozon (gennemsnitligt baggrundsniveau: 4 ppb). 11
PM1 og PM2.5 7 65 6 55 5 45 4 µgm -3 35 3 25 2 15 1 5 MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG Volumen 35 3 25 µm 3 cm -3 2 15 1 5 MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG Figur 4 Variationen af PM 1 (øverst), PM 2.5 og partikelvolumen i løbet af en middeluge. Variationen skyldes især indflydelsen fra trafikken. Der er også væsentlige bidrag fra andre kilder. Udover fjerntransport, der forklarer det relativt høje niveau om natten, ses også en indflydelse fra Tivolis fyrværkeri lige før kl. 24, natten mellem lørdag og søndag. 1.2 Forholdet mellem døgnmiddelværdier af lokalt PM1 og lokalt NOx 24 µgm-3/ppb 1.8.6.4.2 2 16 12 8 4 Chlor i TSP (µgm-3) 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 Figur 5 Forholdet mellem døgnmiddelværdier af lokalt PM 1 og lokalt NO x på H.C. Andersens Boulevard. Det lokale bidrag er beregnet ved at subtrahere koncentrationerne i bybaggrund (på H.C. Ørsted Institutets tag) fra koncentrationerne på gaden. Som indikator for perioder med vejsaltning er tilføjet den røde kurve, som viser chlor målt med PIXE-analyse i TSP på H.C. Andersens Boulevard. 12
µgm -3 /ppb.4.35.3.25.2.15.1.5 Forholdet mellem lokalt PM1 og lokalt NOx i en gennemsnitsuge MANDAG TIRSDAG ONSDAG TORSDAG FREDAG LØRDAG SØNDAG Figur 6 Forholdet mellem timemiddelværdier i løbet af en gennemsnitsuge af lokalt PM 1 og lokalt NO x på H.C. Andersens Boulevard. Det lokale bidrag er beregnet ved at subtrahere koncentrationerne i bybaggrund (H.C. Ørsted Institutets tag) fra koncentrationerne på gaden. 3.2 Størrelsesfordelingen af partiklerne PM 1 og PM 2.5 kan bruges som mål for massefordelingen mellem fine partikler (PM 2.5 ) og grove partikler (PM 1 -PM 2.5 ). Målingerne med DMPS (se afsnit 2.1) giver mulighed for at studere partiklernes størrelsesfordeling mere detaljeret. Dette er dog kun muligt i størrelsesområdet <.7 µm, da der måles partikelantal og ikke partikelmasse. Selvom en stor del af massen findes i størrelsesområdet >,7 µm, er antallet af partikler her forsvindende i sammenligning med området <.7 µm. De viste koncentrationer af Partikler i Figur 1 og i Figur 3, samt af Volumen i Figur 2 og i Figur 4, er integrerede værdier beregnet på grundlag af målte størrelsesfordelinger af partikelantal. Partiklernes diameter bestemmes ved en beregning ud fra partiklers såkaldte mobilitet, som er den parameter partiklerne sorteres efter under målingen. Ved beregningen af volumen er det antaget, at partiklerne er kugleformede med en geometrisk diameter lig med mobilitetsdiameteren. Langt de fleste af partiklerne som måles (som antal) på H.C. Andersens boulevard skyldes trafikken. Disse partikler har en karakteristisk størrelsesfordeling med et maksimumantal omkring 2 nm 3 nm. Dog forekommer der i løbet af en gennemsnitsuge en mindre systematisk variation, som lettest ses ved matematisk at opdele fordelingerne i såkaldte modes. En god tilnærmelse til de målte fordelinger kan opnås med en sum af tre logaritmiske normalfordelinger (Gaussiske fordelinger) som vist i Figur 7. Beliggenheden (ved henholdsvis 12 nm, 24 nm og 55 nm) og bredden af de Gaussiske fordelinger er tilpasset så den bedste tilnærmelse til de enkelte målte størrelsesfordelinger er opnået. Overensstemmelsen er i alle tilfælde så god, at de tre modes må være mere end blot en matematisk konstruktion. De afspejler sandsynligvis (se senere i dette afsnit) tre forskellige typer af fysisk-kemiske processer i forbindelse med partiklernes dannelse. I Figur 7 er vist de gennemsnitlige størrelsesfordelinger på hverdage, lørdage og søndage, dels i tidsrummet fra midnat til kl. 6 om morgenen ( -6 ), dels i det øvrige tidsrum fra kl. 6 til midnat ( 6-24 ). Datamaterialet er i dette tilfælde alle partikelmålinger, der er foretaget i den toårige periode juli 21 juli 23. Det ses at størrelsesfordelingen i de sene nattetimer afviger en del fra størrelsesfordelingen i dagtimerne og om aftenen. Dette gælder i særlig udpræget grad for natten efter fredag og lørdag. Variationen er vist med en 13
større tidsopløsning i Figur 8, hvor både de målte total partikelkoncentrationer og de beregnede bidrag fra de tre modes er vist for hver halve time. 3.3 Bestemmelse af trafikkilder (faktoranalyse) På grund af forskellig motorteknologi har de forskellige trafikkategorier ikke den samme emission fra udstødningen. Således er emissionen af CO fra dieseltrafik relativt lille, fordi en dieselmotor arbejder med en meget mager brændstof/luft-blanding. Til gengæld er emissionen af sodpartikler relativt stor. En anden forskel findes mellem tunge og lette køretøjer, idet emissionen pr. køretøj er højest for de tunge køretøjer. Trafiktællinger viser, at de forskellige kategorier antalsmæssigt har forskellig døgn- og ugevariation. Der er derfor i princippet en mulighed for at sige noget om emissionen fra de forskellige trafiktyper, hvis trafiktællinger sammenstilles med den samtidige variation af luftkoncentrationer. Med henblik på at bestemme de sandsynlige kilder til de tre modes er der foretaget en analyse af den tidsmæssige korrelation mellem luftkoncentrationer (partikelmodes, NO x, CO) og trafiktællinger af forskellige kategorier (personbiler, varevogne, lastvogne, taxier og busser). Trafiktællingen, der er designet netop til dette formål, blev foretaget på H.C. Andersens Boulevard i 23 fra midnat til midnat torsdag den 9. oktober, samt over et halvt døgn fra lørdag 4. oktober kl. 18 til søndag den 5. oktober kl. 6. Analysen er foretaget i form af en faktoranalyse, hvor korrelationerne mellem alle variable (både luftkoncentrationer og trafiktal) omregnes til enkeltbidrag (faktorvægte) fra et mindre antal fælles uafhængige faktorer, der tilsammen kan forklare det meste af variationen i datamaterialet. Resultatet af analysen ses i Tabel 2. Det fremgår af søjlen med kommunaliteter, at fire faktorer kan forklare mere en 9% af den samlede variation både af luftkoncentrationerne og af trafiktallene for de dominerende kategorier (personbiler, taxier, varevogne, sololastbiler og bybusser). Det er en indbygget svaghed i analysen, at de fundne faktorer forudsættes at være uafhængige. Denne uafhængighed gælder kun delvist, da alle fire trafikkategorier har en vis grad af samvariation (på alle hverdage er der f.eks. mere trafik om dagen end sent på natten). Af denne grund er analysen ikke i stand til helt at separere de forskellige trafiktyper, hvilket især er tydeligt for varetrafik og privattrafik. Den første faktor, der har høje faktorvægte for varevogne og lastbiler, kan fortolkes som Varetrafik, der har stor intensitet særligt i dagtimerne. Faktorvægten er høj for NO x og lav for CO, hvilket viser at der især er tale om dieseldrevne køretøjer. Den lave faktorvægt for 12 nm partikler viser, at disse partikler kun i begrænset omfang kan skyldes denne trafik. Den anden faktor har blandt trafikkategorierne kun høj vægt for taxier og må derfor fortolkes som Taxitrafik, der skiller sig ud ved at være relativt intens i de sene nattetimer efter fredag og lørdag, hvor op til 2/3 af den samlede trafik skyldes taxier. Det er bemærkelsesværdigt, at denne trafikkategori har meget høj faktorvægt for 12 nm 14
partikler. Dette viser, at taxierne må være den vigtigste kilde til disse partikler. Den tredie faktor har høje vægte for personbiler og motorcykler, og kan derfor fortolkes som Privattrafik, der skiller sig ud ved at være meget intens i myldretiderne. Den høje faktorvægt for CO viser at benzintrafikken hovedsageligt tilhører denne kategori. Det kan dog som nævnt ses, at analysen ikke kan skille privattrafikken helt fra varetrafikken, idet de små varebiler indgår med en forholdsvis høj vægt. Den sidste faktor har høj vægt for bybusser ( busser i fast rute ), der i trafiktællingen skiller sig en noget ud fra de andre trafikkategorier. 6 Hverdage -6 6 Hverdage 6-24 dn/dlogd (cm -3 ) 4 2 dn/dlogd (cm -3 ) 4 2 1 1 1 1 d (nm) 1 1 1 1 d (nm) 6 Lørdag -6 6 Lørdag 6-24 dn/dlogd (cm -3 ) 4 2 dn/dlogd (cm -3 ) 4 2 1 1 1 1 d (nm) 1 1 1 1 d (nm) 6 Søndag -6 6 Søndag 6-24 dn/dlogd (cm -3 ) 4 2 dn/dlogd (cm -3 ) 4 2 1 1 1 1 d (nm) 1 1 1 1 d (nm) Figur 7 De gennemsnitlige størrelsesfordelinger på hverdage, lørdage og søndage, dels i tidsrummet fra midnat til kl. 6 om morgenen ( -6 ), dels i det øvrige tidsrum fra kl. 6 til midnat ( 6-24 ). Datamaterialet er alle partikelmålinger med DMPS, foretaget i den toårige periode juli 21 juli 23 på H.C. Andersens Boulevard. Beliggenheden (ved henholdsvis 12 nm, 24 nm og 55 nm) og bredden af de tre modes er valgt så den bedste gennemsnitlige tilnærmelse til de enkelte størrelsesfordelinger er opnået. Enheden dn/dlogd betyder partikelkoncentration pr. størrelsesdekade. Totalkoncentrationen af partikler (N) kan aflæses som arealet under kurven, hvor længden af hver dekade (f.eks fra 1 nm til 1 nm) regnes lig med 1. 15
8 Partikelkoncentration (cm-3) 7 6 5 4 3 2 1 55 nm 24 nm 12 nm Sum Målt Mandag Tirsdag Onsdag Torsdag Fredag Lørdag Søndag Figur 8 Den målte partikelkoncentration i løbet af en gennemsnitsuge, samt bidragene fra de tre modes ved henholdsvis 12 nm, 24 nm og 55 nm, og deres sum. Tabel 2. Faktoranalyse bestående af en principal komponentanalyse kombineret med en Varimaxrotation. I de første kolonner ses faktorvægtene. I den sidste kolonne ses den kvadrerede sum af faktorvægtene i hver række (kommunaliteten), der angiver hvilken brøkdel af den samlede variation, der kan forklares alene ved en variation af de fælles faktorer. Signifikante vægte (>,5) er fremhævet med fede typer. Varetrafik Taxitrafik Privattrafik Bustrafik Kommunalitet Personbiler,22 -,1.93,22.97 Taxier -,19.94,7 -,6.94 Motorcykler,33 -,2,84,12,87 Varevogne (< 3,5 ton),75 -,5,6,1.95 Sololastvogne (> 3,5,84 -,9,42,15.91 ton) Lastvogn med sættevogn.96 -,7,1,9.95 Lastvogn med påhæng.91 -,8,19,3,87 Bybusser,15 -,13,29.9.93 Andre busser,58 -,2,7 -,8,83 NOx,68,12,61,33.95 CO,18 -,6.92,24.94 12 nm partikler,11.92 -,27 -,9.93 24 nm partikler,6 -,18,63,38.93 55 nm partikler,68,18,61,22.91 3.4 Hvordan dannes de ultrafine trafikpartikler? De tre partikelmodes og deres fordeling på de forskellige trafikkategorier kan forklares på grundlag af den model for partikeldannelse, som er skitseret i Figur 9. De store partikler (55 nm), der er bærere af stort set hele den partikulære masse, består af sod (agglomerater af små kulpartikler) med en mere eller mindre tyk belægning af kondensater på overfladen. Disse partikler dannes i alle dieselmotorer, dog i mindre omfang i de nyere dieselmotorer med mere fuldstændig forbrænding. De mindste partikler (12 nm) dannes ved kondensation (nukleation) af svovlsyre og andre meget lidt flygtige stoffer (f.eks 16
ammoniumsulfat og aske fra smøreolien). Den mellemste partikelstørrelse dannes ved kondensation af mere flygtige organiske forbindelser. Denne kondensation vil primært foregå på overfladen af allerede eksisterende partikler. Da de meget små partikler omkring 12 nm derved vil vokse, ses disse partikler kun i de tilfælde, hvor der er meget små mængder af de organiske forbindelser i udstødningen. Dette kan være forklaringen på, at taxierne er hovedkilden til disse partikler, idet de fleste taxier er moderne dieselbiler med oxiderende katalysator, hvis formål netop er at fjerne de organiske forbindelser ( diesellugten ). Hovedparten af de øvrige dieselkøretøjer (varebiler, busser og lastbiler) er ikke forsynet med oxiderende katalysator. I disse køretøjers udstødning vil de små partikler derfor vokse på grund af kondensationen af organiske forbindelser, hvorved de ender med en størrelse omkring 24 nm. Benzinmotorer producerer normalt næsten ingen sod, men ud fra denne modelbetragtning er det sandsynligt, at benzinkøretøjer med og uden katalysator også bidrager til partiklerne i det lavere størrelsesområde (12 nm og 24 nm). Afkøling og fortynding 1. Sodpartikler dannes i motoren 2. Svovlsyre kondenserer 3. Halvflygtige organiske forbindelser kondenserer Figur 9 Model for dannelsen af partikler fra dieseltrafik. 1. Sodpartikler dannes i motorcylinderen. 2. Svovlforbindelser (og eventuelt andre forbindelser med meget lavt damptryk) kondenserer, dels på overfladen af de eksisterende sodpartikler, dels som nye partikler (nukleation). 3. Halvflygtige organiske forbindelser ( VOC er) kondenserer på overfladen af de eksisterende sodpartikler og svovlholdige partikler, eventuelt som nye partikler (nukleation). 3.5 PM 1 -data og grænseværdier De PM 1 -værdier, der ses i Figur 2 og Figur 4 samt i Tabel 1, er målt som halvtimesmiddelværdier med TEOM-monitor. De kommende grænseværdier for PM 1 gælder for døgnmiddelværdier. Hvis PM 1 måles med en metode, der ikke er i overensstemmelse med EUreferencemetoden, skal der korrigeres for dette. På DMU s målestationer på Jagtvej (JGTV) og på H.C. Ørsted Institutet tag (HCOE) måles der PM 1 både med TEOM-monitor og SM2-monitor. For SM2-monitoren er der påvist en tilfredsstillende overensstemmelse med referencemetoden. En sammenligning af 17
døgnmiddelværdier har vist, at TEOM-monitoren undervurderer PM 1 i forhold til SM2-monitoren. Afvigelserne er stort set ens på begge målestationer, når samtidige målinger sammenlignes (se Figur 1). Da trafikkens bidrag til PM 1 er langt større på JGTV end på HCOE (ca. 6 gange), kan man derfor regne med, at TEOM måler trafikkens bidrag korrekt, og at forskellen alene skyldes tab af ikkelokalt PM 1. I Figur 11 er det gennemsnitlige tab på JGTV og HCOE sammenlignet med de samtidige målinger af nitrat i TSP på landstationen ved Hillerød (Frederiksborg). Det ses, at regressionslinien har en hældning, der svarer til at nitrat tabes fuldstændigt i form af ammoniumnitrat. Udover dette tab ses der yderligere et tab på i gennemsnit ca. 5 µg/m 3 (regressionsliniens skæring med 2.-aksen). Ammoniumnitrat og flygtige organiske forbindelser findes i de såkaldte sekundære partikler, der under indvirkning af sollys dannes i atmosfæren ved kemisk omdannelse af emitterede gasser. Denne omdannelse sker langsomt og har ikke noget med de lokale emissioner at gøre. Tabet på H.C. Andersens Boulevard kan derfor antages at være omtrent det samme som på JGTV og HCOE, således at der kan foretages en korrektion i de tilfælde, hvor tabet er kendt fra målingerne på disse målestationer. Den sorte fuldt optrukne kurve i Figur 12 viser døgnmiddelværdier af de ukorrigerede målinger, mens den røde kurve viser de korrigerede målinger i de perioder, hvor det har været muligt at korrigere. Der er foretaget samme korrektion af PM 1 og PM 2.5, idet det antages, at tabet sker i den fine partikelfraktion. Årsmiddelværdien og antallet af overskridelser pr. år af 5 µg/m 3 for PM 1 (se Tabel 3) kan beregnes på grundlag af de korrigerede målinger (346 målinger). Da målingerne dækker næsten hele året, er den beregnede middelværdi (43,7 µg/m 3 ) et godt skøn på årsmiddelværdien, som ligger over grænseværdien på 4 µg/m 3. Det årlige antal af overskridelser af 5 µg/m 3 er 91, hvilket skal sammenlignes med de tilladte 35 overskridelser, altså også en overskridelse af grænseværdien. Forholdet mellem middelværdierne af korrigeret PM 1 og TEOM- PM 1 er 43,7/34.9 = 1,25. 18
6 5 4 JGTV_PM_tab (µgm-3) 3 2 1-1 1 2 3 4 5 6-1 HCOE_PM_tab (µgm-3) Figur 1 Samtidige målinger af PM 1 -tab på gaden (JGTV) og i bybaggrund (HCOE). Da der er tale om differenser mellem meget større tal, er spredningen forholdsvis stor. Der kan ikke konstateres nogen signifikant forskel på tabet de to steder. 6 5 4 PM_tab (µgm-3) 3 2 Stiplet linie: NH 4 NO 3 /N-forhold = 5.71 1-1 1 2 3 4 5 6 7 8 NO3-N (µgm-3) Figur 11 PM1-tabet på JGTV og HCOE (gennemsnit for de to stationer) sammenlignet med de samtidige målinger af nitrat på landstationen ved Hillerød (Frederiksborg). Det ses, at regressionslinien har en hældning, der svarer til at nitrat tabes fuldstændigt i form af ammoniumnitrat. Udover dette tab ses der yderligere et tab af stof, der ikke samvarierer med ammoniumnitrat (regressionsliniens skæring med 2.-aksen). 19
Tabel 3 Middelværdier af TEOM-døgnmiddelværdier af PM 1 juli 22 - juli 23 med og uden korrektion. Antal overskridelser af 5 µg/m 3 er optalt for korrigeret PM 1. TEOM_ PM 1 (µg/m 3 ) PM_tab (µg/m 3 ) PM 1 (µg/m 3 ) Middelværdi 34,9 8,8 43,7 Antal målinger 363 347 346 Antal overskridelser af 5 µg/m 3 91 (26%) Tabel 4 Middelværdier af TEOM-døgnmiddelværdier for PM2,5 juli 22 - juli 23 med og uden korrektion. Der er brugt den samme korrektion som for PM 1, da det formodes, at tabet af flygtige partikler udelukkende sker i den fine fraktion. TEOM_PM 2.5 (µg/m 3 ) PM_tab (µg/m 3 ) PM 2.5 (µg/m 3 ) Middelværdi 18,3 8,8 27, Antal målinger 363 347 346 14 12 1 TEOM_PM2.5 PM_tab PM2.5 µgm-3 8 6 4 2 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 14 12 1 TEOM_PM1 PM_tab PM1 µgm-3 8 6 4 2 1-7-2 31-7-2 3-8-2 3-9-2 3-1-2 3-11-2 3-12-2 29-1-3 1-3-3 31-3-3 1-5-3 31-5-3 3-6-3 Figur 12 Den sorte fuldt optrukne kurve viser døgnmiddelværdier beregnet på grundlag af halvtimemålingerne (vist i figur 2) af PM 2.5 og PM 1 med TEOM-monitor på H.C. Andersens Boulevard. Den grønne kurve viser de foreliggende målinger af PM 1 -tab i TEOM-monitorerne på Jagtvej og HCØ (gennemsnit) i den undersøgte periode. Den røde kurve viser de korrigerede værdier af PM 2.5 og PM 1, idet det er forudsat, at tabet er sket i den fine fraktion (PM 2.5 ) af PM 1. 2
3.6 Kildebidrag til PM 1 og PM 2.5 Som nævnt udviser både PM 1 og PM 2.5 på H.C. Andersens Boulevard en døgnvariation, som først og fremmest skyldes de lokale bidrag fra trafikken. Dertil kommer et baggrundsbidrag, der næsten udelukkende skyldes transport fra kilder langt borte (fjerntransport). Denne transport er styret af meteorologi i stor skala og udviser derfor kun i ringe grad en egentlig døgnvariation. Det er muligt at bestemme størrelsen af baggrundsbidraget til PM 1 ved at benytte samtidige målinger (også med TEOM-monitor) i bybaggrund (H.C. Ørsted Institutets tag). Her er der ganske vist også et bidrag fra trafikken, men det er meget mindre end på H.C. Andersens Boulevard. Idet det forudsættes, at trafikkens PM 1 /NO x -forhold de to steder er nogenlunde ens, kan der korrigeres for dette bidrag (Tabel 5) ved en beregning på grundlag af koncentrationerne af NO x, der næsten udelukkende skyldes trafikken. Af tabellen ses, at NO x -koncentration er langt højere på H.C. Andersens Boulevard end på H.C. Ørsted Institutet, hvor den kun er let forhøjet i forhold til det typiske niveau ude på landet (8 ppb). Tallene i tabellen viser, at trafikkens bidrag til PM 1 og NO x er ca. 1 gange større på H.C. Andersens Boulevard end på H.C. Ørsted Institutet. Tabel 5 Gennemsnitsværdier af PM 1 målt samtidigt (med TEOM-monitor) på H.C. Andersens Boulevard og på H.C. Ørsted Institutet i perioden 1. juli 22 1. juli 23. Desuden ses de tilsvarende værdier af NO x. Baggrundsværdien af PM 1 er bestemt ved lineær ekstrapolation ned til baggrundsniveauet for NO x (8 ppb). HCAB HCOE Baggrund PM 1 (µg/m 3 ) 34,3 17,2 15,5 (beregnet) NO x (ppb) 89,6 15, 8, I måleperioden (1. juli 22 1. juli 23) blev der ikke målt PM 2.5 i bybaggrund. Derfor er det ikke muligt, at bestemme baggrundsbidraget til PM 2.5 på samme måde som for PM 1. Dette kan dog gøres ved en indirekte metode. Denne tager udgangspunkt i at bestemme det gennemsnitlige PM 1 /PM 2.5 -forhold for de lokale kilder ved en regressionsanalyse (Figur 13). Da det lokale bidrag til PM 1 kan beregnes ved at subtrahere baggrundsbidraget fra det målte, kan det lokale PM 2.5 beregnes ved hjælp af PM 1 /PM 2.5 -forholdet. Herefter kan baggrundsbidraget til PM 2.5 beregnes ved at subtrahere det beregnede lokale PM 2.5 fra det målte PM 2.5. Denne beregning er vist grafisk ved hjælp af skæringslinierne i Figur 13. 21
6 5 Gennemsnitligt forhold for lokalt bidrag = 2.82 PM 1 (µgm -3 ) 4 3 2 1 Gennemsnitligt forhold for baggrundsbidrag = 1.4 Gennemsnitlige bidrag fra baggrund: PM1 = 15.5 µgm -3 PM2.5 = 11.1 µgm-3 1 2 3 PM 2.5 (µgm -3 ) Figur 13 De 48 sammenhørende halvtimemålinger af PM 1 og PM 2.5 i løbet af et gennemsnitsdøgn. Da baggrundsbidraget antages at være omtrent det samme på alle tidspunkter af døgnet, bestemmer hældningen af den viste regressionslinie PM 1 /PM 2.5 -forholdet for de lokale kilder. De øvrige værdier er beregnet på grundlag af dette forhold og PM 1 i baggrund (= 15,5 µg/m 3 ). Da både PM 1 og PM 2.5 er kendt, er det muligt at opdele PM 1 i en grov fraktion (PM 1 -PM 2.5 ) og en fin fraktion (PM 2.5 ). Denne opdeling er benyttet i Tabel 6 og Figur 14, der viser resultaterne af ovenstående beregninger. Da PM 1 er målt med TEOM-monitor, er der desuden adderet 8,8 µg/m 3, der som tidligere nævn korrigerer for tabet af flygtige partikler. Dette tab antages at ske udelukkende i den fine fraktion af ikke-lokalt PM 1 (fjerntransporterede sekundære partikler). Tabel 6 PM 1 målt med TEOM-monitor på H.C. Andersens Boulevard i perioden i. juli 22 1. juli 23. Målingerne er korrigeret for tab (partikelfordampning). Opdelt i fine og grove bidrag fra lokale kilder (trafik) og fjerntransport. Fin (PM 2.5 ) (µg/m 3 ) Grov (PM 1 -PM 2.5 ) (µg/m 3 ) Sum(PM 1 ) (µg/m 3 ) Trafik (og evt. andet lokalt) 6.9 (16%) 12,5 (29%) 19,4 (44%) Baggrund 19.9 (45%)* 4,5 (1%) 24,3 (56%) Sum 26,7 (61%)** 17, (39%) 43,7 (1%) Enhed: µg/m 3 *) Korrigeret for tabet af 8,8 µg/m 3, der skyldes fordampning af ammoniumnitrat og andre flygtige forbindelser. **) Afviger en smule fra værdien 27, µg/m 3 i Tabel 3. Dette skyldes, at de anvendte dataset ikke er helt identiske. 22
5 45 Grov (PM1-PM2.5) Fin (PM2.5) 4 35 39% PM1 (µgm-3) 3 25 2 1% 15 1 29% 45% 61% 5 16% Trafik Baggrund Trafik+baggrund Figur 14. Samme data som i Tabel 6 vist grafisk. PM 1 på H.C. Andersens Boulevard opdelt i fine og grove bidrag fra lokale kilder (trafik) og fjerntransport (se Tabel 6). Her vist grafisk. 23
24
Referencer KEMP, K. & PALMGREN, F. (23): The Danish Air Quality Monitoring Programme. Annual Summary for 22. National Environmental Re-search Institute, Roskilde Denmark. xx pp. NERI Technical Report No. 45. PALMGREN, F., WÅHLIN, P. & LOFT, S. (23) Luftforurening med partikler i København. Rapport udarbejdet for Københavns Kommune, Miljøkontrollen. Danmarks Miljøundersøgelser,77 s. Faglig rapport fra DMU, nr. 433. 25
26
27
28 Københavns Kommune www.copenhagencity.dk