Časovézměny velikostního rozložení částic a jejich depozice vdýchacím traktu Josef Keder keder@chmi.cz
Data Stanice AIM Ostrava-Fifejdy analyzátor GRIMM, PM10, meteorologie Grimm a meteo 31.5.13 28.2.14 PM10 31.5.13 31.10.13 Hodinové údaje
Metoda Počty částic v jednotlivých velikostních kategoriích GRIMMu transformovány na dn/d(logdp)/1cm 3 a dn/d(logdp)/1cm 3 /N Vztaženy ke středům velikostního rozpětíkategoriígrimmu a různě analyzovány
Změny velikostního rozloženíčástic 1.11.2013 28.2.2014
Změny rozloženíčástic během dne 25.10.2013
Klasifikace typůrozložení Rozloženíabsolutních počtůčástic v závislosti na velikosti vykazuje vysokou variabilitu Pro hledánínějakých vztahůa zákonitostínutno problém zjednodušit Shluková(cluster) analýza Metoda vícerozměrnéstatistiky, hledápodobnost mezi objekty, charakterizované nějakými znaky, a objekty sobě podobné sdružuje do shluků(typů) Objekty velikostnírozloženídn/d(logdp)/1cm 3 /N pro jednotlivé hodiny Znaky relativní četnosti pro jednotlivé třídy velikostí SW STATISTICA, metoda K-means; subjektivníodhad 4 shluky (nutno použít objektivnípostup stanovenípočtu shluků, existují)
Shluky rozloženíčástic 0.5 0.4 Relativní četnost výskytu 0.3 0.2 0.1 0.0 0.29 0.375 0.475 0.615 0.75 1.15 1.8 2.6 3.75 5.75 Průměr částice Shluk 1 Shluk 2 Shluk 3 Shluk 4
Shluky rozloženíčástic logaritmickéměřítko osy D p
Časovézměny výskytu shluků (typů rozložení)
Časovézměny typů25. 31.10.2013
PM10 versus shluk 140 Krabicový graf z PM10_TOFFA seskupený Shluk 120 Hodinová koncentrace PM10 TOFF 100 80 60 40 20 0-20 1 2 3 4 Shluk Medián 25%-75% 5%-95%
Histogramy PM10 versus shluk Histogram z PM10_TOFFA; kategorizovaný Shluk 26% 22% 19% 16% 13% 10% 6% 3% Procento pozorování 0% 26% 22% 19% 16% 13% 20 60 40 100 140 180 220 260 300 80 120 160 200 240 280 Shluk: 1 20 60 40 100 140 180 220 260 300 80 120 160 200 240 280 Shluk: 2 10% 6% 3% 0% 20 60 40 100 140 180 220 260 300 80 120 160 200 240 280 20 60 40 100 140 180 220 260 300 80 120 160 200 240 280 Shluk: 3 PM10_TOFFA Shluk: 4
Teplota versus shluk 35 Krabicový graf z T2m_Celsius seskupený Shluk 30 25 T2m_Celsius 20 15 10 5 0 1 2 3 4 Shluk Medián 25%-75% 5%-95%
Histogram T2m versus shluk 16% 13% 10% 6% 3% Histogram z T2m_Celsius; kategorizovaný Shluk Procento pozorování 0% 16% 13% 10% -30-20 -10-25 -15-5 0 10 20 30 40 5 15 25 35 Shluk: 1-30 -20-10 -25-15 -5 0 10 20 30 40 5 15 25 35 Shluk: 2 6% 3% 0% -30-20 -10-25 -15-5 0 5 10 20 30 40 15 25 35-30 -20-10 -25-15 -5 0 5 10 20 30 40 15 25 35 Shluk: 3 T2m_Celsius Shluk: 4
RH versus shluk 100 Krabicový graf z h_toffa seskupený Shluk 90 Relaticní vlhkost vzduchu [%] 80 70 60 50 40 30 20 1 2 3 4 Shluk Medián 25%-75% 5%-95%
Histogram RH versus shluk 11% 10% 8% 6% 5% 3% 2% Histogram z h_toffa; kategorizovaný Shluk Procento pozorování 0% 11% 10% 8% 6% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Shluk: 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Shluk: 2 5% 3% 2% 0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Shluk: 3 h_toffa Shluk: 4
Výskyt shluků(typů) pro kombinace T a RH 100 80 60 40 Bodový graf z h_toffa proti T2m_Celsius; kategorizovaný Shluk 20 h_toffa 0-10 0 10 20 30 40 50 100 80 Shluk: 1-10 0 10 20 30 40 50 Shluk: 2 60 40 20 0-10 0 10 20 30 40 50-10 0 10 20 30 40 50 Shluk: 3 T2m_Celsius Shluk: 4
Depozice částic v dýchacím traktu Částice suspendované v ovzduší se do lidského těla dostávají dýcháním. Dýchací systém funguje v podstatě jako filtr. Viskóznípovrch dýchacích cest zaručuje, že částice, kterése sním dostanou do kontaktu, na něm ulpívajíbez možnosti dalšívstupu do procesu. Částice vstupujícído dýchacího traktu deponujív důsledku působení různých depozičních mechanizmů (http://aerosol.ees.ufl.edu): impakt usazování difuze Brownův pohyb vzpříčení(protáhlé částice) Pochopenímechanizmu depozice částic v dýchacím traktu člověka umožňuje indikovat špatný aerosol s fatálními důsledky pro zdraví lidí, který musí být regulován přednostně. 18
Části dýchacího traktu člověka podle modelu ICRP 19
Rovnice modelu ICRP Podíl depozice částic v hlavových částech (DFHA), průduškách (DFTB) a v oblasti alveol (DFAL) v závislosti na (aerodynamickém) průměru částic d p 20
Depozice v dýchacím traktu podle modelu ICRP DF deposition fraction HA head TB trachea, bronchi AL alveoli 21
Depozice v dýchacím traktu podle modelu ICRP -důsledky Částice s průměrem 0.1 1 µm deponujís nejnižšíúčinností Pro lidskézdravípředstavujínejvětšínebezpečíjemnéčástice vintervalu velikostí0.01 0.1µm. Usazujíse trvale vplicních sklípcích (alveolárníčást dýchacího traktu). Na rozdíl od částic deponovaných ve zbylých dvou regionech nemohou být odtud odstraněny žádným mechanizmem, například kašláním. Nejjemnějšíčástice mohou prostupovat přímo do krevního řečiště. 22
Příkladys využitím modelu ICRP Předpokládejme stejnou například hmotnostníkoncentraci částic PM10 např. 100µg.m -3. Budeme měnit procentuálnípříspěvek částic různévelikosti k hmotnostní koncentraci PM10 Depozice v dýchacím traktu stanoveny podle modelu ICRP Na dalších snímcích zobrazeny Procentuální podíl částic různé velikosti na hmotnostní koncentraci PM10 Podíly frakcípm1 a PM2.5 v PM10 Depozice v jednotlivých částech dýchacího traktu člověka 23
Příklad1 Rozložení velikostí částic 3 2 1 0 0.001 0.01 0.1 1 10 Průměr částice [µm] Podíl % Podíly frakcí v PM10 1.49 0.36 98.16 PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10 Podíl depozice v dýchacím traktu 0 10 20 30 40 Hlava 15.85 Průdušky 15.86 Alveoly 33.68 24
Příklad 2 Rozložení velikostí částic 0.001 0.01 0.1 1 10 Průměr částice [µm] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Podíl % Podíly frakcí v PM10 18.33 50.42 PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10 31.26 Podíl depozice v dýchacím traktu 0 10 20 30 40 Hlava 35.32 Průdušky 4.85 Alveoly 13.97 25
Příklad 3 Rozložení velikostí částic 6 4 2 0 0.001 0.01 0.1 1 10 Průměr částice [µm] Podíl % 51.78 Podíly frakcí v PM10 9.00 PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10 39.22 Podíl depozice v dýchacím traktu 0 10 20 30 40 50 60 70 Hlava 64.91 Průdušky 4.34 Alveoly 8.75 26
Rozložení velikostí částic 0.001 0.01 0.1 1 10 Příklad 4 25 20 15 10 5 0 Podíl % 0.06 Podíly frakcí v PM10 6.01 PM1 PM1_PM2.5 PM2.5_PM10 Průměr částice [µm] 93.93 Podíl depozice v dýchacím traktu 0 20 40 60 80 100 Hlava 82.16 Průdušky 3.03 Alveoly 4.25 27
Depozice v AL traktu 1.5.13 28.2.14 (chybímaléčástice, GRIMM měříod 0.7 µm)
Závislost depozice v AL na PM10 Kategorizováno podle typu rozložení 2500 2000 1500 1000 500 Bodový graf z ALV dep z 1ccm proti PM10_TOFFA; kategorizovaný Shluk ALV dep z 1ccm 2500 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Shluk: 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Shluk: 2 1500 1000 500 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Shluk: 3 PM10_TOFFA Shluk: 4
Balon Karolína 13.3.2014 Profil počtu částic a teploty
Závěry a doporučení Je na něještěbrzy Spousta skvělého materiálu na hraní Slibné možnosti Pokračovat naznačeným směrem 31