Lung Deposited Surface Area of Ambient Fine Particles : Measurement Methodologies and Location-Dependent Characteristics

Abstract

Ulkoilman pienhiukkasille altistuminen on merkittävä ennenaikaisten kuolemien ja vakavien sairauksien aiheuttaja. Pienhiukkasten, eli alle 2.5 µm kokoisten hiukkasten, terveysvaikutukset yhdistetään usein niiden massapitoisuuteen, eli PM<SUB>2.5</SUB>-pitoisuuteen. Useat tutkimukset kuitenkin viittaavat siihen, että PM<SUB>2.5</SUB>:n avulla ei voida selittää tai havaita kaikkia pienhiukkasten terveysvaikutuksia. PM<SUB>2.5</SUB>-pitoisuus vaikuttaa esimerkiksi olevan suhteellisesti huomattavasti haitallisempaa matalan pitoisuuden alueilla verrattuna korkean pitoisuuden alueisiin. On siis tarve tarkastella ja kehittää myös muita menetelmiä pienhiukkaspäästöjen mittaamiseen ja valvontaan, jotta päästöjen terveyshaittoja voitaisiin vähentää tehokkaasti.

Tässä työssä tutkitaan keuhkoihin päätyvien hiukkasten pinta-alan (LDSA<SUP>al</SUP>) pitoisuuksia ja ominaisuuksia erilaisissa kaupunkiympäristöissä ja eri maissa. Tutkittuihin ympäristöihin kuuluu kaupunkiliikenneympäristöjä, vilkasliikenteisiä valtateitä, pientaloalueita, lentokenttiä, laivaliikenne- ja tehdasympäristöjä Suomessa, Saksassa, Tšekeissä, Chilessä ja Intiassa. Mittaukset tehtiin tässä työssä kehitettyä uutta mittausmenetelmää hyödyntäen. Työn tavoitteena on ymmärtää, minkälaiset hiukkaspäästöt ovat erityisen tärkeitä LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuuden näkökulmasta, ja voiko LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuus mahdollisesti selittää PM<SUB>2.5</SUB>:n terveysvaikutusten eroavaisuuksia. Lisäksi tutkimuksessa selvitetään LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuuden mittaamiseen liittyviä haasteita niin menetelmien kuin määritelmien näkökulmista.

Työn tuloksissa havaittiin, että Suomessa (matala PM<SUB>2.5</SUB>), LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuus riippui vahvasti kaupunkiympäristöstä ja kytkeytyi erityisesti ultrapienten hiukkasten ja mustan hiilen lähipäästöihin. Sama oli havaittavissa myös Keski-Euroopassa (kohtalainen PM<SUB>2.5</SUB>), mutta ultrapienten hiukkasten ja mustan hiilen lähipäästöjen lisäksi myös hiukkasten korkea taustapitoisuus vaikutti merkittävästi LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuuteen. Chilessä ja Intiassa (korkea PM<SUB>2.5</SUB>) LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuus oli puolestaan lähes täysin riippuvainen vain taustapitoisuudesta, vaikka mittaukset tehtiin vilkkaissa liikenneympäristöissä. Havainnot osoittavat, että keuhkoihin päätyvien hiukkasten ominaisuudet poikkeavat toisistaan suuresti lähipäästöjen ja eri maiden perusteella. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että LDSA<SUP>al</SUP>- ja PM<SUB>2.5</SUB>-pitoisuuksien suhde kasvaa huomattavasti PM<SUB>2.5</SUB>-pitoisuuden laskiessa, mikä voisi mahdollisesti selittää, miksi PM<SUB>2.5</SUB>-pitoisuus vaikuttaa suhteellisesti huomattavasti haitallisemmalta matalan pitoisuuden alueilla. Kaikkiaan tämän työn havainnot osoittavat, että LDSA<SUP>al</SUP>-pitoisuus voi olla merkittävä mittari hiukkaspäästöjen terveysvaikutusten tutkimiseen. Toisaalta työn tulokset myös korostavat yleisesti käytettyjen LDSA<SUP>al</SUP> -mittausmenetelmien haasteita.

Exposure to ambient fine particles has strongly been associated with premature deaths as well as with various severe diseases. The health effects of particulate pollution are typically linked to fine particulate matter (PM<SUB>2.5</SUB>), which refers to the mass concentration of particles smaller than 2.5 µm. However, an increasing number of studies have reported that monitoring of only PM<SUB>2.5</SUB> is not enough to properly understand the health effects of particulate pollution. For example, PM<SUB>2.5</SUB> seems to be relatively more harmful in lowly polluted regions compared to highly polluted ones. Therefore, additional methods to measure and regulate ambient fine particles are needed to better tackle the health risk caused by particulate pollution.

In this thesis, particle lung deposited surface area (LDSA<SUP>al</SUP>) concentrations and characteristics were investigated in different urban environments and countries. The studied environments covered urban traffic sites, highways, detached housing residential areas, airports, shipping and industrial sites in Finland, Germany, Czechia, Chile and India. The measurements were done by utilising a novel LDSA<SUP>al</SUP> measurement method, which was developed as a part of this thesis. The thesis aims to answer what particulate emissions are especially relevant in terms of LDSA<SUP>al</SUP>, and to what extent the measurement of LDSA<SUP>al</SUP> could explain the varying health effects of PM<SUB>2.5</SUB>. Also, the thesis aims to improve the overall understanding of LDSA<SUP>al</SUP> in terms of its measurement principles and definitions.

In the results of this thesis, it was observed that, in Finland (low PM<SUB>2.5</SUB>), LDSA<SUP>al</SUP> depended significantly on the urban environment and was strongly attributable to ultrafine particles and black carbon (BC) emissions. Also, in Central Europe (moderate PM<SUB>2.5</SUB>), LDSA<SUP>al</SUP> was dependent on the ultrafine particles and BC, but, in addition, heavily influenced by the regional aerosol. In Chile and India (high PM<SUB>2.5</SUB>), LDSA<SUP>al</SUP> was dominated by the regional aerosol despite that the measurements were done at busy traffic sites. The findings of this thesis show potential health-relevant differences in the characteristics of lung-depositing particles near different pollution sources and in different countries. Also, the results indicate that the ratio between LDSA<SUP>al</SUP> and PM<SUB>2.5</SUB> increases strongly as a function of decreasing PM<SUB>2.5</SUB> which could potentially explain why PM<SUB>2.5</SUB> seems to be relatively more harmful in areas with low average PM<SUB>2.5</SUB>. In all, this thesis highlights the potential of LDSA<SUP>al</SUP> as a health-relevant metric for particulate pollution. On the other hand, the results of this thesis also emphasise current challenges related to the commonly used LDSA<SUP>al</SUP> measurement principles and definitions.