Bladdepositie van fijn stof als indicator voor de stedelijke verspreiding van atmosferische partikels: een experimentele en modelmatige benadering

Datum: 27 augustus 2014

Locatie: UAntwerpen - Campus Middelheim - Lokaal G0.10 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 15 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Bio-ingenieurswetenschappen

Promovendus: Jelle Hofman

Promotor: Prof. dr. Roeland Samson

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Jelle Hofman - Faculteit Wetenschappen, Departement Bio-ingenieurswetenschappen



Abstract

Stedelijke vegetatie als meetstation voor luchtverontreiniging. Dit doctoraatsonderzoek demonstreert de toepassingsmogelijkheden van biomagnetische monitoring om meer inzicht te verkrijgen in de lokale verspreiding van atmosferische partikels in stedelijke omgevingen. Hoewel een accurate interpretatie van SIRM resultaten met betrekking tot de magnetische samenstelling en bijdragende emissiebronnen cruciaal is, lijkt de integratie van biomagnetische monitoring met conventionele fysico-chemische metingen en luchtkwaliteitsmodellering waardevolle informatie op te leveren over lokale verspreiding van atmosferische partikels en kan bijgevolg als veelbelovend instrument gezien worden voor geïntegreerde luchtkwaliteitsbeoordelingen in stedelijke gebieden. Dit werd recent nog geïllustreerd door het AIRbezen project in Antwerpen, waarbij 1062 aardbeienplantjes bij Antwerpenaren werden uitgezet om gedurende twee maanden de omgevende luchtkwaliteit op te meten.

Biomagnetische monitoring van stedelijke vegetatie is een recente techniek die de laatste jaren wereldwijd sterk aan interesse wint als algemeen toepasbare, efficiënte en bovendien goedkope proxy voor de omgevende luchtkwaliteit. Dit doctoraatsonderzoek evalueert de toepassingsmogelijkheden van biomagnetische monitoring van blad afgezette partikels, met betrekking tot de monitoring en modellering van atmosferisch fijn stof op verschillende ruimtelijke en temporele resoluties.

In het eerste luik werd de methode zelf geëvalueerd. Biomagnetische monitoring werd toegepast om de ruimtelijke verspreiding van atmosferische partikels doorheen een stedelijke street canyon in Gent na te gaan. Een significante afname in magnetisch signaal, weergegeven via Saturation Isothermal Remanent Magnetisation (SIRM), werd geobserveerd met toenemende hoogte en windrichting, en lijken gerelateerd aan de windblootstelling van de boomkruinen. Deze resultaten toonden voor de eerste keer aan dat biomagnetische monitoring kan toegepast worden op een hoge ruimtelijke resolutie om de ruimtelijke verspreiding van atmosferische partikels na te gaan, zowel doorheen een street canyon, als in individuele boomkruinen.

Daarnaast werd de tijdsvariatie van het biomagnetische signaal onderzocht door de accumulatie van fijn stof op bladeren van Plataan (Platanus x acerifolia Willd.) op te meten aan de hand van tweewekelijkse bladbemonsteringen doorheen een volledig groeiseizoen, van Mei tot November, 2013. De seizoenale ontwikkeling van zowel de totale blad SIRM als de SIRM van de blad-geïncorporeerde partikels werd nagegaan door de bladeren te wassen voor de biomagnetische analyse.

Een geleidelijke toename het SIRM signaal doorheen het ganse groeiseizoen toonde de toepasbaarheid van biomagnetische monitoring aan als proxy voor de tijd geïntegreerde PM blootstelling van de boombladeren. Na evaluatie van de variatie in ruimte en tijd werd de relevantie van de biomagnetische monitoringmethode nagegaan door SIRM resultaten te vergelijken met gravimetrische resultaten van de op het blad afgezette partikels in drie verschillende groottefracties (0.2-3, 3-10 en >10 µm). Een significante correlatie (r=0.77, p<0.0001) tussen het SIRM signaal en het gewicht van de bladoppervlak geaccumuleerde partikels bevestigt het potentieel van biomagnetische monitoring als proxy voor de hoeveelheid afgezette partikels op het blad. Magnetiseerbare partikels komen bovendien in alle beschouwde groottefracties voor.

Aangezien biomagnetische monitoring gerelateerd lijkt met de atmosferische fijn stof concentratie en bovendien op verschillende ruimtelijke en temporele resolutie toepasbaar is binnen stedelijke milieus, lijkt het SIRM signaal een potentiële veelbelovende, efficiënte en goedkope methode om de performantie van luchtkwaliteitsmodellen te evalueren. Biomagnetische monitoring van 96 bemonsteringslocaties van plataan (Platanus x acerifolia) in een street canyon in Gent en 110 bemonsteringslocaties van klimop (Hedera sp.)  verspreid over Antwerpen werden daarom voor de eerste keer vergeleken met modelresultaten van respectievelijk microschaal luchtkwaliteitsmodel (ENVI-met®) en stedelijke schaal luchtkwaliteitsmodelleringsketen AURORA-MIMOSA-IFDM-OSPM.

Biomagnetische monitoring en luchtkwaliteitsmodellering zijn beiden methoden die het mogelijk maken om gedetailleerde ruimtelijke informatie over de stedelijke  polluentconcentraties te verkrijgen. Desalniettemin is het cruciaal om enkele overwegingen te maken bij de interpretatie van beide methoden. Terwijl het SIRM signaal kan beïnvloed worden door de magnetiseerbare samenstelling van het stof en de invloed van >10 µm partikels, zijn luchtkwaliteitsmodellen afhankelijk van accurate emissiefactoren en correcte implicatie van bijdragende emissiebronnen. Niettegenstaande toonden deze studies dat waardevolle inzichten in de ruimtelijke verspreiding van atmosferische polluenten in stedelijke milieus kunnen verkregen worden door de combinatie van luchtkwaliteitsmodellering en biomagnetische monitoring.

In het laatste luik van deze doctoraatsstudie werd de invloed van boomkruinmorfologie op de bladdepositie van atmosferische partikels geëvalueerd. Hiertoe werden LiDAR-metingen gebruikt om gedetailleerde driedimensionale informatie te verkrijgen van zeven stedelijke boomkruinen in Antwerpen. De LiDAR informatie van zes boomkruinen werd vergeleken met gravimetrische resultaten van blad afgezet stof in drie verschillende groottefracties (0.2-3, 3-10 en >10 µm), om de potentiële relatie tussen bladdensiteit en de hoeveelheid blad afgezet stof te testen. LiDAR informatie van de zevende boom werd gebruikt om de potentiële rol van boomkruinmorfologie in luchtkwaliteitsmodellen te testen.

Boomkruinen worden namelijk vaak erg rudimentair voorgesteld in dergelijke modellen. Een modelstudie werd daarom uitgevoerd om het effect van een gedetailleerde LiDAR-gebaseerde boomkruinvorm te testen, niet enkele op de hoeveelheid blad afgezet stof, maar ook op de lokale atmosferische PM10 concentratie in de nabije omgeving van de beschouwde boomkruin. Terwijl het effect van boommorfologie op het depositieproces van atmosferische partikels beperkt lijkt, heeft boomstructuur wel een belangrijk effect op de lokale verspreiding van atmosferische partikels. Een accurate voorstelling van de stedelijke boomkruinmorfologie in driedimensionale luchtkwaliteitsmodellen lijkt daarom cruciaal om betrouwbare modelresultaten over de lokale PM verspreiding te verkrijgen.