Çanakkale'nin Biga ve Lapseki bölgesi özelinde kırsal alanlardaki troposferik ozon seviyelerinin değerlendirilmesi ve meteorolojik-fotokimyasal modellerin uygulanmasıyla dağılımının belirlenmesi

Abstract

Dünya genelinde büyük kentlerin yanı sıra kırsal alanlarda da partikül madde, karbon monoksit, azot dioksit, kükürt dioksit ve ozon gibi kirleticilere karşı kalınan maruziyet gün geçtikçe artmaktadır. Emisyon kaynaklarının bulundukları bölge dışında uzun mesafeli atmosferik taşınımları sonucunda yüzlerce kilometre uzaklıktaki alanları da etkileyebilmesi bu durumun sebeplerinden biri olarak tanımlanabilir. Kaynaklardan çıkan kirleticiler bu taşınım sırasında değişmeden atmosfere dağıldığı gibi fiziksel ve kimyasal mekanizmaların etkisiyle farklı kirleticilere de dönüşebilmektedir. Bu tarz dönüşümler sonucu meydana gelen ve ikincil bir kirletici olarak tanımlanan ozon, insan sağlığı, tarım ve ekosistemler üzerindeki zararlı etkileri nedeniyle karar vericilerin üzerinde durmasını ve gerekli önlemleri almasını gerektirecek bir gazdır. Tez çalışması kapsamında Türkiye'de Marmara Bölgesi'nin Biga Yarımadası'nın kuzey batısında yer alan Çanakkale'nin Biga ve Lapseki ilçelerindeki yüksek ozon konsantrasyonlarının oluşmasına neden olan atmosferik koşulların rolünü anlamak ve detaylı bir şekilde karakterize etmek için geri yörünge modeli, meteorolojik-fotokimyasal modelleri ve hava kalitesi ölçümlerini içeren bir hava kalitesi yönetim modeli kurgulanması hedeflenmiştir. Bu model ile kırsal bir alandaki ozon seviyelerinin tespiti ve kaynakların katkısının belirlenmesine yönelik bölgeye özgü bir yaklaşım geliştirilmesi amaçlanmıştır. Yarımadanın dağlık, kırsal ve yarı-kentsel bölgelerinde üç yıl boyunca (2013-2015) izleme istasyonlarında ozon konsantrasyonları ölçülmüş ve elde edilen sonuçların geçmişte Akdeniz Havzası için yapılan benzer çalışmalar sonucunda üretilen değerlere yakın düzeylerde olduğu tespit edilmiştir. Bölgedeki en yüksek ozon değerleri emisyon kaynaklarından uzaktaki dağlık alanlarda ölçülmüştür. Dağlık alandaki yüzey ozonunun Temmuz'da büyük bir zirveyi ve Nisan'da ikincil bir zirveyi temsil ettiği gözlemlenmiştir. Kırsal alanda ölçülen saatlik yüzey ozon konsantrasyonların ise genellikle yarı kentsel bölgesinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir. İzleme noktalarında ölçülen yıllık ortalama ozon seviyeleri noktaların deniz seviyelerinden yükseklikleri ile karşılaştırıldığında r=0,67'lik bir uyum gözlenmektedir. Bölgedeki yüzey ozonu konsantrasyonları genellikle Temmuz-Ağustos aylarında maksimum seviyelere ulaşırken, Ekim-Aralık dönemlerinde ise minimum değerleri görmektedir. Biga Yarımadası'nda yıllık ortalama yüzey ozon konsantrasyonları 48-117 μg/m3, yaz dönemlerindeki aylık ortalamalar ise 78-187 μg/m3 arasında ölçülmüştür. Bölgede gerçekleştirilen ölçümler incelendiğinde ulusal sınır değerlerin aşıldığı tespit edilmiştir. Ayrıca yapılan AOT40 hesaplamaları sonucu, ozonun bölgedeki bitki ve ormanlar üzerinde zarar verici boyutta bir etkisinin olabileceğini göstermektedir. Hava kirleticilerinin oluşumu, taşınması ve dağılmasında meteorolojik koşullar önemli bir rol oynamaktadır. Bölgedeki ozon seviyelerinin meteorolojik koşullar ile ilişkisi incelediğinde özellikle sıcaklıkla arasında yüksek bir korelasyon (r=0,6) olduğu görülmektedir. Ozon konsantrasyonları ile bağıl nem değerleri arasında ise negatif bir korelasyon (r=-0,5) olduğu belirlenmiştir. Ayrıca yüzey ozonun oluşumuna yerel kaynakların yanı sıra bölgesel taşınımın da etkisinin olabileceği düşünülerek bölge için ozon gülleri hazırlanmıştır. Bölgedeki en yüksek ozon konsantrasyonlarının rüzgar akışının KD yönünden olduğunda meydana geldiği tespit edilmiştir. HYSPLIT modelinin kümeleme algoritması kullanılarak bölgeye gelen hava hareketleri belirlenmiş ve ana rotanın %44 ile Doğu Avrupa ve İstanbul üzerinden olduğu tespit edilmiştir. Toplamda hava hareketlerinin yaklaşık %72'sinin bölgeye kuzey yönlerden gelmekte olduğu ve bu hareketlerin gerçekleştiği dönemlerde yüksek ozon değerlerinin görüldüğü belirlenmiştir. Hava kütlelerinin kalan kısmı ise bölgeye güney yönünden, Akdeniz bölgesinden gelmekte olup; bu hareketlerin olduğu dönemlerdeki ozon seviyeleri genellikle daha düşüktür. Bölgede gerçekleştirilen hava kalitesi ölçümleri sonucunda 2013-2015 yılları arası için 5 episodik ozon dönemi tespit edilmiştir. Bu episodlar için WRF/HYSPLIT modeli kullanılarak yüksek ozon seviyelerinin gözlendiği bu dönemlerdeki hava hareketleri incelenmiş olup; tümünde hava kütlelerinin kuzeyden başka bir deyişle İstanbul, Batı Avrupa ve Doğu Rusya üzerinden geldiği belirlenmiştir. Episod dönemlerindeki meteorolojik koşulların tahmini için WRF ARW 3.8 modeli kullanılmıştır. Model belirlenen episodlar için sırasıyla 9 km, 3 km ve 1 km yatay çözünürlüğe sahip üç tek yönlü iç içe alan olarak yapılandırılmış ve çalıştırılmıştır. Üretilen sonuçlara göre 1. Episod döneminde yüksek basınç sistemi ve düşük rüzgar hızları hakimdir. 2. Episod ve 3. Episod da bölge üzerinde yüksek basınç sistemi hakim olurken; rüzgar hızları ise düşük-orta seviyelerdedir. Ayrıca 2. episod döneminde Etezyen rüzgarları bölgede hakim olup; öğleden sonraki saatlerde maksimuma ulaşır ve ozonun dağılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Model çıktılarına göre 4. ve 5. Episod da yüksek basınç sistemleri ve hafif rüzgarlar bölgede gözlenmektedir. Gerçekleştirilen model çalışmasının güvenilebilirliğini test etmek amacıyla 4 meteoroloji istasyonunun verileri kullanılarak karşılaştırmalar gerçekleştirilmiştir. Model doğrulama çalışmaları sonucunda hava sıcaklığının model tarafından başarılı bir şekilde tahmin edildiği belirlenmiştir (r=0,85). Bölgedeki ozonun taşınımı, dağılımı ve seviyesinin belirlenmesi amacıyla WRF-Chem fotokimyasal modeli kullanılmıştır. Simülasyonlar sonucunda bölgedeki ozonun ana kirletici kaynağının antropojenik emisyonlar olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca biyojenik emisyonların da ozon seviyeleri üzerindeki etkisinin göz ardı edilemeyecek seviyelerde olduğu belirlenmiştir. Bölgedeki biyojenik emisyonların katkısı günlük ortalamada yarı kentsel alan için %6-27 ve kırsal alan için ise %6-23 arasında değişmektedir. Episodlar kendi aralarında karşılaştırıldığında en düşük ozon seviyelerinin genellikle 4. Episod da görüldüğü belirlenmiştir. Bu durumun nedeni olarak episoddaki sıcaklıkların daha düşük seviyelerde; bağıl nem değerinin yüksek olması olabilir. Bölgedeki en yüksek ozon olayı ise 5. Episod gözlenmiştir. Bu durumun oluşmasında en önemli etkenlerin diğer dönemlere kıyasla yerel sirkülasyonların neden olduğu inversiyon, sıcaklıkların çok yüksek ve rüzgar hızlarının da düşük seyretmesi olduğu düşünülmektedir. WRF-Chem modeli sonuçları güvenirliklerinin test edilmesi amacıyla istatistiksel teknikler kullanılarak dört farklı hava kalitesi izleme istasyonunda gözlemlenen saatlik ozon ölçüm verileri ile karşılaştırılmıştır. Hesaplanan ozon konsantrasyonlarının tüm episodlardaki ve konumlardaki karşılaştırılmaları sonucunda uyum indisinin 0,5-0,8 arasında değiştiği hesaplanmıştır. Korelasyon katsayıları ise 0,2-0,9 aralığında hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda meteorolojik ve fotokimyasal modeller kullanılarak elde edilen öngörülerin istenilen düzeyde güvenirliğe sahip olduğu düşünülmektedir. Tez çalışması kapsamında uygulanan model doğrultusunda kırsal alanlardaki ozonu etkileyen meteorolojik koşullar ile antropojenik ve biyojenik emisyon kaynaklarının katkıları belirlenmiştir. Geliştirilen bu yaklaşımın, farklı kırsal ve yarı kentsel alanlarda yapılacak hava kalitesi yönetimi çalışmalarına da fayda sağlayacağı düşünülmektedir. Ayrıca bu yaklaşım ile bölgede yer alan floranın da maruz kaldığı ozon seviyeleri belirlenmiş; ulusal standartlardaki sınır değerler ile karşılaştırılarak mevcut durumu ortaya konmuştur. Bu yaklaşım, ülkemizde benzer özellikler taşıyan ve özel öneme sahip kırsal alanlar içinde uygulanabilecek ve bu alanların korunmasına yönelik karar vericilere yol gösterecektir.