Investigation of ambient levels and personal exposure to fine and ultrafine particles in urban environments

Airborne UltraFine Particles (UFP, particle diameter dp<0.1 µm) are receiving growing attention in urban air quality management since increasing toxicological evidence on their adverse effect on human health. UFP account for the majority of ambient particles in terms of number, yet they contribute little to the overall particulate mass, thus dedicated measurement of Particle Number Concentration (PNC) with additional information provided by the Particle Number Size Distribution (PNSD) are needed to study UFP. Despite measurements of PNC and PNSD have been implemented both in urban areas and remote sites during the last decade, the knowledge on urban UFP appears still limited compared with the complexity of the phenomenon. Moreover, recent studies have reported high exposure to particle concentration in transport microenvironments due to the proximity to traffic emissions. Therefore information on particle concentrations in these microenvironments are needed for reliable assessment of population exposure. To address these limitations in knowledge, this thesis presents a comprehensive investigation on fine and ultrafine particle in urban environments. Two are the main objectives: (1) To provide information on ambient levels of UFP, their sources and atmospheric behaviour in urban area; (2) To provide information on the personal exposure to fine and ultrafine particles in transport microenvironment, that is in indoor/outdoor environments directly affected by emissions from means of transport. To this purpose, measurements of PNC and PNSD were performed at three different sites: a traffic exposed, an urban background and a rural site located in Po Valley during different periods from April 2011 to November 2012. In addition, a short-term campaign for the measurement of Black Carbon (BC), tracer of combustion related particles, was performed at the traffic exposed site. Traffic emissions are indicated as the most important source of UFP in the urban area. Higher PNC are found for traffic exposed site than for urban background and rural site. Considering size segregated PNC, contrasts between sites are found to increase with decreasing particle size. UFP show to be strongly affected by the contribution of local sources (i.e. traffic emission), whereas concentrations of larger particles appear mainly influenced by regional background. Moreover, secondary particles formed via photochemical nucleation also contribute to PNC measured at urban sites during warm months as highlighted by the occurrence of a midday peak in PNC. All sites display a seasonal variation of PNC with higher values during cold months. Joint analysis of PNC, SD and BC data shows that the concentration of nucleation mode particles (dp<30nm) may exhibit a temporal variability different from that of primary vehicle emissions due to their gas-to-particle origin, either from nucleation during cooling and dilution of vehicle exhaust or from photochemical nucleation. Differently, good correlations between number concentration of larger particles (60<dp<300 nm) and BC indicate that these particles are primary emission from traffic. To further analyse the relation between PNC measured at a monitoring station and local particle sources, three years data of simultaneous measurement of PNC, PNSD and vertical UFP fluxes measured at a sub-urban site in Helsinki, Finland, were analysed. At present, Eddy-Covariance (EC) measurements of vertical particle fluxes are performed in few cities worldwide representing a promising tool to further investigate air pollution in the urban environment. Vertical UFP fluxes confirm traffic emission as the most important sources of UFP in urban area. The comparative analysis of particle fluxes and concentration, demonstrates that PNSD with a mode in the size range 20-40 nm are more affected by local traffic emissions whereas the mode shifts towards larger sizes when the contribution of distant sources is more evident. Using EC data, particle number emission factors (EF) for a mixed vehicle fleet were estimated and a linear inverse relationship between emission factor and ambient temperature is found. The observed relation agrees with what observed at a traffic exposed site in Po valley where increasing concentrations of nucleation mode particles (dp<30nm) are found for decreasing ambient temperature. These results highlight the influence of ambient temperature on nucleation processing occurring during cooling and dilution of vehicle exhaust immediately after their released in the atmosphere. The personal exposure to particles in transport microenvironment was investigated by means of experimental campaigns performed at two cities, both Milan and Piacenza, located in Po Valley. PM , UFP and BC exposure concentrations were measured using portable instruments while travelling with different mode of transport. Exposure concentrations are found to vary significantly between transport modes, with PM mass and PNC varying in different ways. The highest values of PM mass concentration are found for subway and bus mode indicating the presence of local sources (i.e. mechanical abrasion, self-pollution, re-suspension). Differently, the highest levels of UFP number concentration characterize either open-air modes (bike and walk) or car mode depending on the type of vehicle considered. The type of car and air ventilation settings in fact are found to play a major role on car passenger exposure to particle, with very high UFP and BC levels measured inside aged car not equipped with air conditioning system. The proximity to traffic significantly affects cyclist and pedestrian exposure to UFP and BC. On the other hand, cyclist and pedestrian exposure to PM mass is not influenced by proximity to traffic. Besides giving information on UFP levels in Po Valley, the result of the thesis provide information on the relationship between particle sources and UFP levels in urban environments. Such information may constitute valuable knowledge for air quality modelling and particle dispersion studies in urban environments. In particular, the estimated particle number emission factors (EF) for a mixed vehicle fleet and the derived relationship with ambient temperature constitute important input information for air quality modelling. Furthermore, the study points out the main factors affecting exposure concentration to particle during travelling providing quantitative information that maybe applied in exposure studies as well as to represent valuable information to orient traffic management and mitigation policies.

Studi tossicologici hanno da tempo evidenziato il particolato ultrafine (UFP, diametro delle particelle dp<0.1 µm) come particolarmente nocivo per la salute umana. Indagini sulle presenze in aria ambiente di UFP attraverso la misura della concentrazione in numero di particelle (PNC) e della relativa distribuzione dimensionale (PNSD) sono state sviluppate nel corso degli ultimi quindici anni sia in aree urbane sia in siti remoti. Tuttavia, la conoscenza del fenomeno appare ad oggi ancora limitata rispetto alla sua complessità. Ad esempio poche evidenze sperimentali esistono circa le presenze di UFP in Pianura Padana nonostante l’area sia affetta da gravi problema di qualità dell’aria. Inoltre, studi recenti suggeriscono come, a causa della vicinanza con le emissione dei veicoli, esposizioni ad elevate concentrazioni di particolato fine ed ultrafine si possono verificare durante gli spostamenti con mezzi di trasporto. Informazioni circa le concentrazioni di particolato a cui le persone sono esposte muovendosi in ambito urbano con diversi mezzi di trasporto risultano necessarie per un corretta valutazione dell’esposizione della popolazione al particolato. In questo contesto, questa tesi presenta una analisi estesa delle presenze di particolato ultrafine in ambito urbano, ponendosi due obiettivi principali (1) Fornire informazioni circa i livelli di concentrazione, le sorgenti e l’evoluzione in atmosfera del particolato ultrafine (2) Fornire informazioni quantitative circa le concentrazioni di esposizione che caratterizzano gli spostamenti con diversi mezzi di trasporto. Campagne sperimentali per la misura di PNC e PNSD sono state condotte in diversi periodi, tra Aprile 2011 e Novembre 2012, presso tre diversi siti posti in Pianura Padana: un sito esposto al traffico veicolare, un sito di fondo urbano ed un sito di fondo rurale. Inoltre, una campagna di breve periodo per la misura delle concentrazioni in massa di Black Carbon (BC) nel particolato atmosferico è stata condotta presso il sito esposto al traffico. I risultati indicano le emissioni da traffico veicolare come la principale fonte di UFP in ambito urbano. I livelli di UFP risultano decrescenti dal sito esposto al traffico al sito di fondo urbano al sito rurale con differenze di concentrazione tra siti più accentuate per particelle di dimensioni inferiori, cosi come indicato dall’analisi delle PNSD. Le concentrazioni di UFP si mostrano fortemente dipendenti dalla presenza di sorgenti locali mentre le concentrazioni di particelle di dimensioni maggiori appaiono spiegate dal livello di fondo regionale. Per tutti i siti indagati, livelli di PNC più elevati caratterizzano la stagione fredda (Ottobre-Marzo) rispetto alla stagione calda (Aprile-Settembre). Fenomeni di formazione secondaria di particelle per nucleazione fotochimica contribuiscono ai livelli di UFP in ambito urbano come evidenziato dall’occorrenza di un picco nelle PNC durante le ore centrali della giornata nella sola stagione calda. L’analisi congiunta di PNC, PNSD e BC, evidenzia come la variabilità temporale delle concentrazioni di particelle della moda di nucleazione (dp<30nm) può differire da quelle delle emissioni primarie da veicoli a causa della loro origine secondaria, sia per nucleazione di emissioni da veicoli immediatamente dopo il loro rilascio in atmosfera, sia per nucleazione fotochimica. Al contrario, forti correlazioni esistono tra le presenze di BC e le concentrazioni di particelle di dimensioni 60<dp<300 nm indicando come queste particelle abbiano un’origine primaria essendo direttamente emesse dal traffico veicolare. Al fine di investigare con maggior dettaglio la relazione tra PNC misurate presso un sito di monitoraggio e le sorgenti locali di particolato, si sono analizzati tre anni di dati relativi a misure simultanee di PNC, PNSD e flussi verticali di UFP effettuate presso un sito sub-urbano in Helsinki, Finlandia. La misura dei flussi verticali di particolato tramite tecnica Eddy-Covariance (EC) è ad oggi effettuata in pochi siti urbani nel mondo e rappresenta un promettente strumento per l’analisi dei fenomeni di inquinamento dell’aria. L’analisi comparativa di PNC e flussi verticali di UFP conferma il traffico veicolare come la sorgente principale in ambito urbano. L’analisi dimostra che PNSD con moda nell’intervallo 20-40nm riportano l’influenza di sorgenti locali di particolato mentre la moda si sposta verso diametri maggiori quando l’influenza di sorgenti lontane diventa più evidente. Inoltre, utilizzando i dati EC si sono caratterizzate le emissioni in termini di PNC dal traffico veicolare locale ricavando un fattore di emissione (EF, # Veh-1 km-1 ) che si riferisce ad un flotta mista di veicoli ed a condizioni di emissione reali che tengono conto dell’evoluzione dell’emissione in atmosfera . In particolare, si è ricavata una relazione inversa tra fattore di emissione e temperatura ambiente. Tale relazione riporta l’influenza della temperatura sui fenomeni di nucleazione delle emissioni da traffico, in accordo con quanto osservato in Pianura Padana dove si osservano concentrazioni crescenti di particelle della moda di nucleazione al diminuire della temperatura ambiente. L’esposizione personale al particolato fine ed ultrafine durante gli spostamenti con i mezzi di trasporto è stata investigata attraverso campagne sperimentali condotte nelle citta di Milano e Piacenza, utilizzando strumenti portatili per la misura diretta delle concentrazioni di esposizione a UFP, PM e BC. Variazioni significative delle concentrazioni si evidenziano considerando diversi mezzi di trasporto. Per quanto riguarda le concentrazioni in massa di particolato, i livelli più elevati caratterizzano gli spostamenti in autobus ed in metropolitana, suggerendo la presenza di sorgenti locali quali abrasioni meccaniche, risospensione, self-pollution. Diversamente, per quanto riguarda le PNC i livelli maggiori caratterizzano gli spostamenti a piedi ed in bicicletta o gli spostamenti in automobile in funzione del tipo di veicolo considerato. Il tipo di veicolo e la presenza di sistemi di condizionamento e filtraggio dell’aria appaiono influenzare in modo determinate i livelli di particolato misurati nell’abitacolo con concentrazioni di UFP e BC elevate per automobili vecchie non dotate di aria condizionata. L’esposizione di pedoni e ciclisti appare invece influenzata dalla prossimità con il traffico veicolare. Oltre a fornire informazioni sulle presenza di UFP in Pianura Padana, i risultati della tesi forniscono importanti informazioni sulla relazione tra sorgenti di particolato e livelli ambientali di UFP in ambito urbano. Tali informazioni possono costituire conoscenze utili nello sviluppo di modelli di qualità dell’aria e studi di dispersione del particolato in ambito urbano. In particolare la stima di un fattore di emissione da veicoli in termini di PNC e la relazione individuata con la temperatura ambiente possono costituire importati dati di input per modelli di qualità dell’aria. Inoltre, lo studio fornisce importanti informazioni quantitative e qualitative sull’esposizione al particolato durante gli spostamenti con mezzi di trasporto che possono contribuire positivamente alla valutazione dell’esposizione della popolazione al particolato nonché rappresentare utili informazioni per politiche di gestione e mitigazione del traffico urbano.