Size-dependent airborne particle emissions from ship traffic

Abstract

Most aerosol particles emitted from shipping affect the climate by counteracting the greenhouse effect. Although, this masks the warming effect of greenhouse gases, aerosol particles also have a negative health effects, and therefore emissions need to be reduced. It is possible that the negative health effect could be a concern for not only city dwellers, but for people living in rural areas as well. According to Corbett et al., (2007) the atmospheric aerosol
particles emitted by shipping cause more than 60,000 deaths a year. In order to get a better understanding of this exposure to particles from ship emissions, a measurement campaign was undertaken in Falsterbo to sample air downwind of a nearby heavily trafficked shipping route. The contribution to the total particle number concentration and particle number size distribution of the aerosol particles was quantified and analyzed using instruments such as a
Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS), a Condensation Particle Counter (CPC), and an Aerodynamic Particle Sizer (APS).

The result of this study was that, during January 27 2016, the ships passing by Falsterbo emitted 346 particles/cm3, which is equal to approximately 18.5 % of the total particle number concentration. This value was extrapolated for the whole measurement period and so the daily averaged contribution to the particle number concentration was estimated to 12 %, which corresponded to an increase of 225 particles/cm3 per day. However, these results have a large uncertainty, due to the approximations that had to be made.

Popular Abstract (Swedish)

Aerosolpartiklar är mycket små föreningar av olika gaser samt solida ämnen på storlekar mellan 1 nm till 100 um. Dessa partiklar släpps ut i samband med förbränning, och kan påverka både klimatet samt vår hälsa. Generellt påverkar aerosolpartiklarna klimatet genom att ha en kylande effekt på atmosfären, även om t.ex. sotpartiklar värmer atmosfären eftersom de absorberar solljus. Sulfatpartiklar är ett exempel på partiklar som har en kylande effekt genom att reflektera solljus. Dessa aerosolpartiklar har alltså en motverkande effekt på växthuseffekten, och när vi på senare år minskat på utsläppen av partiklar i Europa har forskare kunnat se en accelererad växthuseffekt över Arktis (Stockholm University, 2016).

Generellt så gäller det att ju mindre aerosolpartiklarna är, desto mer skadliga är dem för oss människor, eftersom de kan penetrera längre in i lungorna. En långvarig exponering av höga koncentrationer av de små aerosolpartiklarna, framförallt mellan 1 nm och 2 500 nm, kan vara mycket skadligt och kan orsaka t.ex. hjärt- och kärlsjukdomar, andningsproblem, samt cancer (Pope and Dockery, 2006). Enligt Thomas and Osseiran (2014) dör ca 3.7 miljoner människor årligen av atmosfäriska luftpartiklar. Samtidigt uppskattar Corbett et al., (2007) att aerosolpartiklarna från sjöfart orsakar ca 60 000 dödsfall årligen.

Syftet med detta examensarbete har varit att försöka mäta båttrafikens bidrag till den totala koncentrationen av antalet partiklar i Falsterbo. Genom att placera mätstationen precis vid Falsterbo Fyr med ett avstånd på 10 km till den närmaste skeppsleden, kunde många störande faktorer, så som biltrafik, undvikas. Under mätperioden mellan 18 januari – 3 mars användes följande 4 instrument; Condensation Particle Counter, Scanning Mobility Particle Sizer, Aerodynamic Particle Sizer, och en Aerosol Mass Spectrometer för att identifiera skeppsplymerna samt för att beräkna antalet partiklar. Enbart den 27 januari analyserades och under den dagen var bidraget beräknat till 346 partiklar/cm3. Tillsammans med några antaganden kunde detta värde extrapoleras över hela mätperioden. Det genomsnittliga bidraget blev då 225 partiklar/cm3 per dygn, vilket motsvarar 12 % av den totala halten av partiklar. Under den analyserade dagen var 94 % av de skeppsemitterade partiklarna lika stora eller mindre än 66 nm, och de största skeppsemitterade partiklarna uppmättes till 262 nm.

Det uppskattade bidraget till den totala koncentrationen av antalet partiklar under mätperioden har en stor osäkerhet eftersom det baserades på en del antaganden som gjordes då bara en dag analyserades. Under tidsperioden innan den analyserade dagen, 27 januari, saknas det data från exempelvis Condensation Particle Counter och därför kunde inte skeppsplymerna från Scanning Mobility Particle Sizer valideras. Mätdatan från tidsperioden efter den 27 januari innehöll mycket felvärden, vilket gjorde mätdatan svår att analysera. Dessutom introducerades ett instrument den 2 februari som lät luften åldras varannan timme. Detta bidrog också till att den mätdatan inte analyserades. Resultatets osäkerhet hade förbättrats om mätdata från en dag med annorlunda vindförhållanden hade inkluderats i analysen.

Genom jämförelse med liknande rapporter verkar resultaten från denna rapport vara rimliga. De olika rapporterna skiljer sig dock från varandra eftersom mätningarna gjorts under annorlunda förhållanden, t.ex. avståndet från mätstationen till skeppen, antalet analyserade skeppsplymer, samt vilken typ av skepp som analyserats.

• author: Mattsson, Fredrik
• supervisor: Adam Kristensson
• organization: Department of Physics; Nuclear physics
• course: FYSK02 20161
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Aerosol particle, shipping, emission, health effect, particle number concentration, particle number size distribution
• language: English
• id: 8875791
• date added to LUP: 2016-06-08 09:33:03
• date last changed: 2016-06-08 09:33:03