Luftföroreningar i omgivningsmiljön Normer/mål, källor, mätningar & modellering av halter Christer Johansson Miljöförvaltningen, SLB analys, Stockholms stad Institutionen för miljövetenskap och analytisk kemi, Stockholms universitet Christer@slb.nu
Gränsvärden för 12 luftföroreningar Gaser: NO2, SO2, CO, O3, bensen Partikelfraktioner/partikelbundna ämnen PM10, PM2.5 Benso(a)pyren Arsenik, kadmium, nickel, bly, ozon
Gränsvärden EU direktiv 2008/50/EC NO2 40 µg/m3 årsmedel 200 µg/m3 timmedel, max 18 ggr/år 60 µg/m3 dygn, max 7 ggr/år (bara i Sverige) PM10 50 µg/m3 dygnsmedel, max 35 dygn/år 40 µg/m3 årsmedel PM2.5 25 µg/m3 årsmedel Alla gränsvärden mm finns på Naturvårdsverkets hemsida: http://www.naturvardsverket.se/stod-i-miljoarbetet/vagledningar/luftoch-klimat/miljokvalitetsnormer-for-utomhusluft/gransvardenmalvarden-utvarderingstrosklar/ Ozon 120 µg/m3, 8 h medel, 25 dagar per år under 3 år, börvärde ( bör underskridas )
Är det rätt ämnen som regleras? Hälsoeffekter Kontroll på lokala källors bidrag Miljöeffekter inklusive klimat 1. Finns inget enskilt mått som är en bra indikator för alla dessa effekter 2. De som regleras med gränsvärde är inte bästa indikatorerna för effekterna
År 2011 Sverige erkänner! Konungariket Sverige har underlåtit att uppfylla sina skyldigheter enligt artikel 5.1i rådets direktiv 1999/30/EG av den 22 april 1999 om gränsvärden för svaveldioxid, kvävedioxid och kväveoxider, partiklar och bly i luften genom att ha överskridit gränsvärdena för PM10 i luften under åren 2005, 2006 och 2007 i zonerna SW 2 och SW 4 samt under åren 2005 och 2006 i zon SW 5.
Många städer klarar inte gränsvärdena EU kommissionen har hittills inlett förfaranden mot överträdelser av PM10 och NO2 PM10 16 länder Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Germany, Greece, Spain, France, Hungary, Italy, Latvia, Portugal, Poland, Romania, Sweden, Slovakia and Slovenia NO2 12 länder Austria, Belgium, Czech Republic, Germany, Denmark, Spain, France, Hungary, Italy, Poland, Portugal and the UK. Åtgärdsarbetet påskyndas förhoppningsvis
Målen för Frisk luft år 2020 lite tuffare än WHO NO2 20 µg/m3 (år), 60 ug/m3 max 175 timmar per år WHO = 40 ug/m3 Svårt klara PM10 15 µg/m3 (år), 30 ug/m3 max 35 dygn per år WHO = 20 ug/m3 Tveksamt om det klaras PM2.5 10 µg/m3 (år), 25 ug/m3 max 3 dygn per år WHO = 10 ug/m3 Klaras Ozon 80 µg/m3 timme, 70 ug/m3 som 8 timmars medelv. WHO = 100 ug/m3 Svårt klara För benso(a)pyren, butadien, formaldehyd och andra indikatorer se http://www.miljomal.se/sv/miljomalen/2-frisk-luft/preciseringar-av-frisk-luft/
Andel av stadsbefolkningen som utsätts för halter över gränsvärden och WHOs riktvärden EEA, 2016
Partikelstorlekar
Virusagglomerate 0.3 um Quartz 300 nm Asbestos fiber
ett knappnålshuvud i GLOBEN!!!! 1 nanometer till 100 mikrometer
0.01 µm 0.1 µm 1 µm 10 µm A yta = 4 r 2 V = 4 r 3 /3 1 partikel med d p =10 μm har samma volym (massa) som 10 9 partiklar med d p =0.01 μm
Andra mått som diskuterats Antalet partiklar Är reglerat i fordonsutsläpp Ej så bra epidemiologiska studier Sot Finns svenska miljömål Finns signifikanta hälsorisksamband Relevant reglera även ur klimatsynpunkt Andra PAHer än BaP Dibenso(a,l)pyren 100 ggr högre toxicitet jämfört med benso(a)pyren Kinoner Biobränsle toxiska Metaller Finns en del epi studier Blandningar? Starkare tox sb med blandingar
SOT gammat mått som fått ny aktualitet Hälsa Klimat Samband mellan ohälsa och sotpartiklar mer robusta än samband mellan ohälsa och PM2.5 Sotpartiklar är efter CO2 den viktigaste luftföroreningen som ökar temperaturen på jorden
Antalet partiklar bättre indikator på lokala avgaser jftr med PM10 PM10: 40 ug/m3 100 000 000 ca 100 Miljoner på Hornsgatan PM10 är knappt 3 gånger så hög på Hornsgatan jämfört med i Teliatornet (bakgrundsluft) 3 000 000 några Miljoner uppe i tornet PM10: 15 ug/m3 Antalet partiklar är nästan 100 gånger Högre på Hornsgatan jämfört med i Teliatornet (bakgrundsluft)
Källor till luftföroreningar
Europe's Top 11 sources of PM0.95 (tonnes) 0 100 000 200 000 300 000 400 000 500 000 600 000 Viktigaste källorna till partiklar i Europa Residential combustion, wood and wood waste Road transport, exhaust diesel Other transport, exhaust diesel Power plants, coal Agricultural waste burning Industrial combustion, heavy oil Iron and steel works (<1 µm) Road transport, exhaust gasoline Food preparation Open hearth furnaces Industrial combustion, coal Visschedijk et al, 2004
Sverige: Vedeldning > Trafik Stor geografisk variation av PM- emissioner Mycket olika exponeringsmönster! Trafik avgas Small scale heating % of max 2 275 ton/år 4 690 ton/år
PM-emissioner i tätorter - Slitagepartiklar står för 89-93% av trafik-pm. - Stor variation i sjöfart och övrigt (de betyder inte mycket för exponeringen) 4 000 Utsläpp per tätort (ton/år) 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 PM10 Vänersborg Gävle Gnosjö Älvkarleby Lund Göteborg Växjö Stockholm Sundsvall Lycksele
Mycket viktigt kontrollera effekten av avgasdirektiv! Avgas-PM regleras inte i luften - Sot bästa alternativet! NOx regleras inte i luften, men NO2 - Nox mäts oftast ändå. NO 2 utsläppen regleras inte
Vägtrafikens olika partiklar Förbränningspartiklar Ultrafina, <0,1µm (antal) eller 0,1-0,3 µm (massa) Sot 0,04-0,5 µm Bildas vid förbränningen Kondensationspartiklar 0,01-0,1 µm Bildas vid kylning och utspädning EGR, SCR, Ox.kat., CRT Däcks- 0,01-0,1 µm Bildas med dubbar >10 µm? Slitage Däck- och slitagepartiklar Nano, < 0,1 µm Grova, >1 µm Broms- 0,1-5 µm Slitage Beläggnings- >0,5 µm Slitage Suspensions- >0,5 µm Suspension Vägbana Avgaser Bränsle Motorolja Bromsar Däck
Kväveoxidutsläpp, NOx = NO + NO2 Mest NO Andelen NO2 beror på bränsle och efterrening EGR exhaust gas recirculation gives less NO 2 SCR selective catalytic redction less NO 2 (urea) Ox.kat oxidation catalyst - more NO 2 CRT continuously regenerating trap more NO 2 NO oxideras snabbt i luften av ozon NO + O3 -> NO2 + O2 Andelen NO2 i luften beror främst på ozonoxidationen. Nära trafik t ex i trånga gaturum, kan NO2 utsläppen vara viktiga för NO2 halterna.
Laboratoriemätningar som baseras på olika körcykler MOTORWAY URBAN RURAL
Emissioner av NOx underskattas ofta Personbilar bensin Lätta lastbilar Diesel Röda: Laboratoriemätningar (dynamometer) Gröna: Mätningar i verklig trafik Personbilar diesel Tunga lastbilar Diesel
Speciellt nyare dieselbilar har höga utsläpp i verklig trafik EEA rapporten 2017
VTI:s provvägsmaskin för studier av vägbaneslitage 4 däck med elmotorer driver maskinen utbytbar vägbeläggning
Inverkan av olika däcktyper på partikelhalten vid provvägsmaskinen 6000 30 km/h 50 km/h 70 km/h WearEm 4000 PM 10 [µg/m 3 ] 2000 Sommardäck Summer tyre 0 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
Inverkan av olika däcktyper på partikelhalten vid provvägsmaskinen 6000 30 km/h 50 km/h 70 km/h WearEm 4000 PM 10 [µg/m 3 ] 2000 Friktionsdäck Friction tyre Sommardäck Summer tyre 0 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
Inverkan av olika däcktyper på partikelhalten vid provvägsmaskinen 6000 30 km/h 50 km/h 70 km/h WearEm Dubbdäck Studded tyre 4000 PM 10 [µg/m 3 ] 2000 Friktionsdäck Friction tyre Sommardäck Summer tyre tyre 0 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
dm/dlogdp [mg m -3 ] Vägbaneslitage med dubbdäck Påverkan på olika partikelstorlekar dn/dlogdp [# cm -3 ] 80000 60000 40000 Bridegstone Noranza Michelin X-Ice North Nokian Hakkapeliitta 4 70 km h -1 50 km h -1 30 km h -1 2.5 2 1.5 1 20000? 0.5 0 0.01 0.1 1 10 Storleksfördelning (µm) Nanopartiklar Grova partiklar 0
Icke avgaspartiklar Komplex blandning av ämnen Brake material -heavy metals -Carcinogenic antimony -lead sulphide -phenol formaldehyde resins, -polycyclic aromatic hydrocarbons, -aluminium, -calcium carbonate, -Barium sulphate, -kaolinite clays, -graphite, -silica, -magnesium and chromium oxides, -zirconium, Ziron, Molyddenite, carbon black, cashew dust, rubber, glass, Kevlar, ceramic, potassium titanate fibres, chromite -other metal powders Road dust PM Brake and Tyre material along with stone minerals and other organic compounds, bacteria, mould spores, animal dander, pollen and pollen fragments. Tyres Organic compounds found within tyre material include: polycyclic aromatic hydrocarbons, benzothiazoles, toluene, styrene, methylethenylbenzenes, methyloctene, butadiene polymers, ethylbenzene, limonene, xylenes, ethylmethylbenzenes and dimethylcyclohexenes Zinc, copper, cadmium, magnesium, sodium, calcium, iron and antimony. Around 20% of the total zinc concentrations within aerosol samples in inner cities are thought to originate from tyre particles
Emissionsfaktor Svårt skatta utsläppen från vedeldning! Beror på hur man mäter utsläpp (olika länder har olika standarder!) Många faktorer påverkar: 1. Typ av bränsle (helved, pellets etc) 2. Eldningsvanor (Hur man eldar? Hur ofta?) 3. Anläggning (Miljögodk., ackumulatortank) 4. Vedens fuktighet Varma rökgaser Utspädda (kalla) rökgaser
Mätningar av föroreningshalter
http://www.naturvardsverket.se/realtidsdataluft Realtidsdata finns att tillgå https://tableau.discomap.eea.europa.eu/t/air online/views/up-todateairqualitydata/uptodateairqualitydata? :embed=y&:showshareoptions=true&:displa y_count=no&:showvizhome=no http://aqicn.org/city/stockholm/ Sverige Europa Världen
VARNING för missvisande information!! Snabbt växande marknad för billiga sensorer Många IT företag som inte har kunskap om luftföroreningar Finns ingen sensor som ger reproducerbara tillförlitliga värden! Men samtidigt sker mycket utveckling o förhoppningsvis Kommer det sensorer som kan användas
Sot (black smoke) Gtbrg & urbanmätn. 1960-2006 vinter
BS & SO2 i Stockholm 1965-1995 -90%
Sot gradienter över Sverige högst halter i städer i norra Sverige
PM10 urban bakgrund - Endast de större städerna ger betydande bidrag över de regionala bakgrundshalterna! Stockholm Göteborg Malmö 70 60 50 40 30 20 10 0 40101 40111 40121 40131 40210 40220 40301 40311 40321 40331 40410 40420 40430 40510 40520 40530 40609 40619 40629 40709 40719 40729 40808 40818 40828 40907 40917 40927 41007 41017 41027 41106 41116 41126 41206 41216 41226
PM10 gatunivå - Säsongsvisa skillnader p g a slitagepartklar!
PM10/NOx (mg/g) Vägfuktighet PM10/NOx (mg/g) Vägfuktighet PM10/NOx (mg/g) Vägfuktighet 1200 1000 2010 PM10 Vägfuktighet 5 4 800 600 400 3 2 Vägbanans fuktighet avgörande för PM10 bidraget 200 0 jan-01 jan-21 feb-10 mar-02 mar-22 apr-11 maj-01 maj-21 1200 2009 1000 PM10 Vägfuktighet 800 600 400 200 0 jan-01 jan-21 feb-10 mar-02 mar-22 apr-11 maj-01 maj-21 1200 2008 1000 PM10 Vägfuktighet 1 0 5 4 3 2 1 0 5 4 800 600 400 200 3 2 1 0 jan-01 jan-21 feb-10 mar-02 mar-22 apr-11 maj-01 maj-21 0
PM10 rural bakgrund - Långtidsmedelvärden: Avtagande gradient - Kortidsmedelvärden: Stor variabilitet överallt! Vavihill Aspvreten Vindeln 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 40101 40111 40121 40131 40210 40220 40301 40311 40321 40331 40410 40420 40430 40510 40520 40530 40609 40619 40629 40709 40719 40729 40808 40818 40828 40907 40917 40927 41007 41017 41027 41106 41116 41126 41206 41216 41226
Avgashalterna avtar snabbt med avståndet från vägen! Öppen väg: halvering av NOx vid ca 50 meter http://slb.nu/slb/rapporter/pdf8/lvf2010_022.pdf
De högsta PM10 och NOx halterna längs gatorna kommer främst från den lokala trafiken
Halterna avtar ung linjärt med höjden över marken i gaturum http://slb.nu/slb/rapporter/pdf8/slb2013_011.pdf
Antal partiklar / cc dn/dlogdp Antal partiklar och PM10 Hornsgatan, Stockholm 100 000 Antal PM 10 200 80 000 60 000 City Diesel- street & number bensinavgaser 160 120 40 000 Street Lokalt mass väg slitage 80 20 000 Bakgrund Icke-lokalt PM 40 0,01 0,10 1,00 10,00 Particle diameter (um)
Kraftig ökning av andelen dieselpersonbilar Fordon per dygn på Hornsgatan - Dubbdäcksförbud 2010 Andel dieselfordon 2006 = 18% 2013 = 48% Krecl et al., 2017
Avgaspartikelhalterna sjunker snabbare än NOx o NO 2 Avgasbidrag från trafiken på Hornsgatan Större andel dieselbilar NOx NO 2 Antal partiklar NOx o NO2-12% från 2008 PM-antal -67% från 2008
PM10 Stockholm
Många faktorer som kan påverka vilket gör att modeller måste användas Fordonshastigheten påverkar Vägbaneslitaget Suspensionen Vägdammförrådet Vägbaneförförhållandena Spray and splash Turbulens (utspädning) (beroende på andel tung trafik)
https://norden.divaportal.org/smash/get/diva2: 1069152/FULLTEXT02.pdf
Concentration (µg m -3 ) Trajektorieanalys: vilka källområden ger störst bidrag NW SW NE SE via intransporten a) b) 1.8 1.6 BC SW SE NW NE 1.4 1.2 Sydostlig sektor 1 0.8 0.6 Nordvästlig sektor 0.4 0.2 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Vinterhalvåret: Sydost ~ 10 ggr högre än nordväst Jönsson et al., 2013
BC Kraftigt förhöjda BC halter p g a BS PM10, OC, EC Ryska bränder 2006 Targino et al, 2012
Mer info https://www.eea.europa.eu/publications /air-quality-in-europe-2016 Europeiska miljöbyråns årsrapport 2016 Halter, trender, källor
Modellering av föroreningshalter
Modellberäkningar ger väldigt betydelsefull information! Källors bidrag Åtgärders effekter på luft o hälsa Information om hälsorisker av exponering Underlag för exponering-hälso analsyer - epidemiologi
Beräkningarnas rumsliga upplösning viktig i städer 1400 1200 1000 100 m rutor: Medel = 0,14 Max = 0,81 Min = 0,05 ID 6 conc 0.0758 800 600 400 200 5 km ruta: 0,26 ID 9 conc 0.26 900 800 700 600 100 m rutor: Medel = 0,051 Max = 0,31 Min = 0,01 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 800 700 600 500 100 m rutor: Medel = 0,66 Max = 2,38 Min = 0,26 ID 31 conc 0.819 500 400 300 200 100 0 5 km ruta: 0,076 0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 0,23 0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 400 300 200 5 km ruta: 0,82 100 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4
Befolkningens exponering Halt x antal inv. i varje gridruta 333 600 5 5500 5500-15000 15000 32000 32000-70000 70000-161900 0 (ingen befolkning) > 0 350 350-500 500 1400 1400-3100 3100-7875 0 (ingen befolkning) > 0 65 65-130 130 230 230-375 375-800
Källbidrag PARTIKLAR Källbidrag NOx
Luftvårdsdagen, Göteborg Exempel, bidrag från vedeldning, Umeå
Ibland måste avancerade turbulensmodell er användas Viktigt med validering av beräkningarna.
Befolkningsviktade haltbidrag från olika källor, 2011 Långdistansbidraget utgör störst andel för PM 10 & PM 2.5 För BC är de lokala utsläppen större än långdistansbidraget http://scac.se/downlo ad/18.4a88670a1596 305e782c41/148636 8494567/Forskning+f %C3%B6r+renare+lu ft+-+scac.pdf
LEAP Long-term exposure to air pollution and myocardial infarction Relation mellan hjärtinfarkt och exponering för luftföroreningar under 30 år Fall-kontrollstudie baserad på 2246 fall, (45-70 år) 3206 kontroller Mats Rosenlund, Niklas Berglind, Göran Pershagen, Johan Hallqvist, Tom Bellander
l NOx 1960 1970 1980 1990 2000 1970
l NOx 1960 1970 1980 1990 2000
NOx 1960 1970 1980 1990 2000
b NOx 1960 1970 1980 1990 2000
NOx 1960 1970 1980 1990 2000
Storleken viktig för vilka partklar som tar sig in inomhus