Source apportionment of carbonaceous aerosol - Measurement and model evaluation
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Luften omkring oss består inte bara av gaser. I den finns det mängder av små partiklar. De partiklar som står i fokus i den här avhandlingen är mindre än 10 μm, vilket endast är en femtedel av ett hårstrås diameter. Dessa partiklar är tillräckligt små för att kunna förflyttas långa sträckor i atmosfären och har dessutom visat sig påverka människors hälsa negativt. Man har i flertalet studier visat att inandning av partiklar leder till ökad risk av både lung- och hjärtsjukdomar. För att minska dessa negativa hälsoeffekter finns det idag gränsvärden för hur mycket partiklar som får släppas ut från exempelvis nya bilar och lastbilar. Det finns även gränsvärden för hur mycket partiklar som får finnas i luften vi andas. Men de gränserna är satta till en nivå som är högre än rekommendationer från Världshälsoorganisationen WHO. De är alltså inte satta endast utifrån ett hälsoperspektiv utan även vilken nivå vi kan nå utan att göra för stora förändringar i samhället. Partiklarna i luften påverkar dock inte bara vår hälsa, de påverkar även vårt klimat. Partiklarna fungerar ungefär som speglar och reflekterar solens strålar tillbaka ut i rymden. Om mindre solljus når oss så blir det kallare. Partiklarna fungerar alltså kylande på klimatet. Det finns dock vissa partiklar, exempelvis sot, som kan absorbera solljuset och därmed verka värmande. Men partiklarna kan påverka jordens klimat på andra sätt. De kan göra det genom att ändra molnens egenskaper. Varje molndroppe börjar som en partikel. Om det finns fler partiklar i luften kommer vattnet att fördelas i fler droppar och vi kommer att få moln med fler men mindre droppar. Dessa moln är ”vitare” än moln med färre stora droppar och reflekterar mer ljus. Den effekten är alltså också kylande.
Kol-14, ett mångsidigt verktyg
Kol-14 är kanske mest känt från arkeologisk åldersbestämning av material från människans tidigare historia. Kol-14 är precis som annat kol men dess atomer har 8 neutroner i sin kärna istället för 6 eller 7 som kol vanligen har. Den extra neutronen gör att kärnan inte är stabil och sönderfaller med en halveringstid på 5730 år. Det betyder att det tar 5730 år för hälften av kol-14-atomerna att sönderfalla. Förenklat kan man säga att om man hittar en träbit som innehåller hälften så mycket kol-14 som en träbit från ett träd idag så är den träbiten 5730 år. Verkligheten är dock lite mer komplicerad. Fossila bränslen som bildats av biologiskt material som levde för många miljoner år sedan innehåller inget kol-14 eftersom allt har sönderfallit. Kol-14 är radioaktivt och skulle inte finnas alls på jorden om det inte kontinuerligt bildades nytt. Men nytt kol-14 bildas konstant när Jorden bombarderas av kosmisk strålning. Detta är något vi kan använda i aerosolforskning. Då partiklarna i atmosfären kommer från både fossila och moderna källor så kan kol-14 mätningen ge oss en bild av hur mycket de två olika grupperna av källor står för. Med denna teknik har vi funnit att växterna står för mer än 80 % av kolpartiklar vi samlar in under sommaren. Samma teknik kan användas inom andra områden. Om man tankar en lastbil med biodiesel kan man genom kol-14-mätning av avgaserna avgöra hur stor andel av partiklarna som kommer från bränslet, som innehåller kol-14, och hur mycket som kommer från motorns fossila smörjolja. Kol-14 är dock inte vårt enda verktyg för att bestämma varifrån partiklarna kommer. Vissa källor släpper ut specifika kemiska föreningar tillsammans med partiklarna. Dessa föreningar kan därför användas för att bestämma hur mycket vissa typer av källor släpper ut. Exempel på dessa föreningarna är levoglukosan som är en typ av sockermolekyl som bildas när cellulosa värms upp. Genom att mäta hur mycket levoglukosan som finns i luften är det möjligt att beräkna hur mycket partiklar i luften som kommer från förbränning av biomassa. Detta eftersom biomassa innehåller mycket cellulosa som värms upp när det bränns och då bildas levoglukosan.
Räkna på partiklar med modeller
Mängden partiklar mäts på många platser runt om på jorden men vi kan inte mäta överallt. Det kommer alltid att finnas luckor i mätningarna och man kan inte heller mäta alla variabler på alla stationer. För att kunna överföra mätningarna till partikelkoncentrationer över hela världen används modeller. Modellerna fungerar så att man anger hur mycket partiklar som släpps ut från ett visst område och beräknar sedan hur dessa partiklar rör sig, reagerar, och till slut faller ner till jorden. Men i atmosfären händer mycket med partiklarna som kan påverka deras förmåga att exempelvis regna ut. Kunskap om partiklarnas källor är viktiga för att utvärdera modellernas resultat. Man kan då se om det är vissa källor som modellen klarar av att beräkna sämre än andra. Det kan då bero på att vi felaktigt uppskattat hur mycket källorna bidrar med eller hur partiklarna reagerar i atmosfären. I den här avhandlingen har en europeisk modell utvärderats med avseende på dess förmåga att beräkna hur mycket olika källor bidrar till kolpartiklar i atmosfären. I stort förefaller det som att modellerna gör ett bra jobb när det gäller den totala mängden kol som hittas i luftens partiklar, men när man tittat på källorna såg man att modellen inte stämmer överens med mätningarna. Detta syntes tydligt för exempelvis vedförbränning som är en viktig källa till partiklar i Norden vintertid. Men med nya uppskattningar av utsläppen hamnade mätningar och modell närmre varandra. Detta är ett exempel på hur mätningarna av aerosoler kan användas för att göra modellen bättre.
Miljövetenskap och luftföroreningar
Luftföroreningar finns omkring oss i vår vardag. Vi vet att de påverkar vår hälsa negativt och även har påverkan på vårt klimat. Detta har lett till att det finns många som arbetar med luftföroreningar men många gånger med helt olika utgångspunkter. Vissa tittar på hälsoeffekter av alla sorters partiklar medan andra kontrollerar hur partiklar från olika källor påverkar vår hälsa. Man kan även beräkna hur stor påverkan partiklarna har på molnbildning eller på att sprida solens strålar. Men än mer spännande blir det när man samlar dessa grenar och tar helhetsgrepp på partikelproblematiken. Hur pass mycket mer hälsosamt blir det om vi halverar våra partikelutsläpp i Europa? Detta kan besvaras genom hur mycket friskare vi blir i Europa av att partikelkoncentrationen minskar. Men det kan också besvaras genom att se hur mycket mer klimatförändringarna skulle drabba övriga planeten när vi minskar partikelkoncentrationen och hur klimatförändringen drabbar människornas hälsa. Det är stora frågor vi står inför idag inom det breda fältet miljövetenskap, och det är väldigt spännande att vara en del av det.
Luften omkring oss består inte bara av gaser. I den finns det mängder av små partiklar. De partiklar som står i fokus i den här avhandlingen är mindre än 10 μm, vilket endast är en femtedel av ett hårstrås diameter. Dessa partiklar är tillräckligt små för att kunna förflyttas långa sträckor i atmosfären och har dessutom visat sig påverka människors hälsa negativt. Man har i flertalet studier visat att inandning av partiklar leder till ökad risk av både lung- och hjärtsjukdomar. För att minska dessa negativa hälsoeffekter finns det idag gränsvärden för hur mycket partiklar som får släppas ut från exempelvis nya bilar och lastbilar. Det finns även gränsvärden för hur mycket partiklar som får finnas i luften vi andas. Men de gränserna är satta till en nivå som är högre än rekommendationer från Världshälsoorganisationen WHO. De är alltså inte satta endast utifrån ett hälsoperspektiv utan även vilken nivå vi kan nå utan att göra för stora förändringar i samhället. Partiklarna i luften påverkar dock inte bara vår hälsa, de påverkar även vårt klimat. Partiklarna fungerar ungefär som speglar och reflekterar solens strålar tillbaka ut i rymden. Om mindre solljus når oss så blir det kallare. Partiklarna fungerar alltså kylande på klimatet. Det finns dock vissa partiklar, exempelvis sot, som kan absorbera solljuset och därmed verka värmande. Men partiklarna kan påverka jordens klimat på andra sätt. De kan göra det genom att ändra molnens egenskaper. Varje molndroppe börjar som en partikel. Om det finns fler partiklar i luften kommer vattnet att fördelas i fler droppar och vi kommer att få moln med fler men mindre droppar. Dessa moln är ”vitare” än moln med färre stora droppar och reflekterar mer ljus. Den effekten är alltså också kylande.
Kol-14, ett mångsidigt verktyg
Kol-14 är kanske mest känt från arkeologisk åldersbestämning av material från människans tidigare historia. Kol-14 är precis som annat kol men dess atomer har 8 neutroner i sin kärna istället för 6 eller 7 som kol vanligen har. Den extra neutronen gör att kärnan inte är stabil och sönderfaller med en halveringstid på 5730 år. Det betyder att det tar 5730 år för hälften av kol-14-atomerna att sönderfalla. Förenklat kan man säga att om man hittar en träbit som innehåller hälften så mycket kol-14 som en träbit från ett träd idag så är den träbiten 5730 år. Verkligheten är dock lite mer komplicerad. Fossila bränslen som bildats av biologiskt material som levde för många miljoner år sedan innehåller inget kol-14 eftersom allt har sönderfallit. Kol-14 är radioaktivt och skulle inte finnas alls på jorden om det inte kontinuerligt bildades nytt. Men nytt kol-14 bildas konstant när Jorden bombarderas av kosmisk strålning. Detta är något vi kan använda i aerosolforskning. Då partiklarna i atmosfären kommer från både fossila och moderna källor så kan kol-14 mätningen ge oss en bild av hur mycket de två olika grupperna av källor står för. Med denna teknik har vi funnit att växterna står för mer än 80 % av kolpartiklar vi samlar in under sommaren. Samma teknik kan användas inom andra områden. Om man tankar en lastbil med biodiesel kan man genom kol-14-mätning av avgaserna avgöra hur stor andel av partiklarna som kommer från bränslet, som innehåller kol-14, och hur mycket som kommer från motorns fossila smörjolja. Kol-14 är dock inte vårt enda verktyg för att bestämma varifrån partiklarna kommer. Vissa källor släpper ut specifika kemiska föreningar tillsammans med partiklarna. Dessa föreningar kan därför användas för att bestämma hur mycket vissa typer av källor släpper ut. Exempel på dessa föreningarna är levoglukosan som är en typ av sockermolekyl som bildas när cellulosa värms upp. Genom att mäta hur mycket levoglukosan som finns i luften är det möjligt att beräkna hur mycket partiklar i luften som kommer från förbränning av biomassa. Detta eftersom biomassa innehåller mycket cellulosa som värms upp när det bränns och då bildas levoglukosan.
Räkna på partiklar med modeller
Mängden partiklar mäts på många platser runt om på jorden men vi kan inte mäta överallt. Det kommer alltid att finnas luckor i mätningarna och man kan inte heller mäta alla variabler på alla stationer. För att kunna överföra mätningarna till partikelkoncentrationer över hela världen används modeller. Modellerna fungerar så att man anger hur mycket partiklar som släpps ut från ett visst område och beräknar sedan hur dessa partiklar rör sig, reagerar, och till slut faller ner till jorden. Men i atmosfären händer mycket med partiklarna som kan påverka deras förmåga att exempelvis regna ut. Kunskap om partiklarnas källor är viktiga för att utvärdera modellernas resultat. Man kan då se om det är vissa källor som modellen klarar av att beräkna sämre än andra. Det kan då bero på att vi felaktigt uppskattat hur mycket källorna bidrar med eller hur partiklarna reagerar i atmosfären. I den här avhandlingen har en europeisk modell utvärderats med avseende på dess förmåga att beräkna hur mycket olika källor bidrar till kolpartiklar i atmosfären. I stort förefaller det som att modellerna gör ett bra jobb när det gäller den totala mängden kol som hittas i luftens partiklar, men när man tittat på källorna såg man att modellen inte stämmer överens med mätningarna. Detta syntes tydligt för exempelvis vedförbränning som är en viktig källa till partiklar i Norden vintertid. Men med nya uppskattningar av utsläppen hamnade mätningar och modell närmre varandra. Detta är ett exempel på hur mätningarna av aerosoler kan användas för att göra modellen bättre.
Miljövetenskap och luftföroreningar
Luftföroreningar finns omkring oss i vår vardag. Vi vet att de påverkar vår hälsa negativt och även har påverkan på vårt klimat. Detta har lett till att det finns många som arbetar med luftföroreningar men många gånger med helt olika utgångspunkter. Vissa tittar på hälsoeffekter av alla sorters partiklar medan andra kontrollerar hur partiklar från olika källor påverkar vår hälsa. Man kan även beräkna hur stor påverkan partiklarna har på molnbildning eller på att sprida solens strålar. Men än mer spännande blir det när man samlar dessa grenar och tar helhetsgrepp på partikelproblematiken. Hur pass mycket mer hälsosamt blir det om vi halverar våra partikelutsläpp i Europa? Detta kan besvaras genom hur mycket friskare vi blir i Europa av att partikelkoncentrationen minskar. Men det kan också besvaras genom att se hur mycket mer klimatförändringarna skulle drabba övriga planeten när vi minskar partikelkoncentrationen och hur klimatförändringen drabbar människornas hälsa. Det är stora frågor vi står inför idag inom det breda fältet miljövetenskap, och det är väldigt spännande att vara en del av det.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2013
Språk
Engelska
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Centre for Environmental and Climate Research (CEC), Lund University
Ämne
- Earth and Related Environmental Sciences
Status
Published
Handledare
Försvarsdatum
8 februari 2013
Försvarstid
09:00
Försvarsplats
Rydbergssalen, Fysiska institutionen, Professorsgatan 1, Lund
Opponent
- Casimiro Pio (Professor)