Road traffic is at present one of the major sources of environmental pollution in urban areas. Magnetic particles, heavy metals and others compounds generated by traffic can greatly affect ambient air quality and have direct implications for human health.
The general aim of this research was to identify and characterize magnetic vehicle-derived particulates using magnetic, geochemical and micro-morphological methods. A combination of three different methods was used to discriminate sources of particular anthropogenic particles. Special emphasis was placed on the application of various collectors (roadside soil, snow, lichens and moss bags) to monitor spatial and temporal distribution of traffic pollution on roadsides.
The spatial distribution of magnetic parameters of road dust accumulated in roadside soil, snow, lichens and moss bags indicates that the highest concentration of magnetic particles is in the sampling points situated closest to the road edge. The concentration of magnetic particles decreases with increasing distance from the road indicating vehicle traffic as a major source of emission. Significant differences in horizontal distribution of magnetic susceptibility were observed between soil and snow. Magnetic particles derived from road traffic deposit on soil within a few meters from the road, but on snow up to 60 m from the road. The values of magnetic susceptibility of road dust deposited near busy urban motorway are significantly higher than in the case of low traffic road. These differences are attributed to traffic volume, which is 30 times higher on motorway than on local road. Moss bags placed at the edge of urban parks situated near major roads show higher values of magnetic susceptibility than moss bags from parks located near minor routes.
Enhanced concentrations of heavy metals (e.g. Fe, Mn, Zn, Cu, Cr, Ni and Co) were observed in the studied samples. This may be associated with specific sources of vehicle emissions (e.g. exhaust and non-exhaust emissions) and/or grain size of the accumulated particles (large active surface of ultrafine particles). Significant correlations were found between magnetic susceptibility and the concentration of selected heavy metals in the case of moss bags exposed to road traffic.
Low-coercivity magnetite was identified as a major magnetic phase in all studied roadside collectors (soil, snow, moss bags and lichens). However, magnetic minerals such as titanomagnetite, ilmenite, pyrite and pyrrhotite were also observed in the studied samples. The identified magnetite particles are mostly pseudo-single-domain (PSD) with a predominant MD fraction (>10 μm). The ultrafine iron oxides (>10 nm) were found in road dust extracted from roadside snow. Large magnetic particles mostly originate from non-exhaust emissions, while ultrafine particles originate from exhaust emissions.
The examined road dust contains two types of anthropogenic particles: (1) angular/aggregate particles composed of various elements (diameter ~1-300 µm); (2) spherules (~1-100 µm) mostly composed of iron. The first type of particles originates from non-exhaust emissions such as the abrasion of vehicle components, road surface and winter road maintenance. The spherule-shaped particles are products of combustion processes e.g. combustion of coal in nearby power plants and/or fuel in vehicle engines.
This thesis demonstrates that snow is an efficient collector of anthropogenic particles, since it can accumulate and preserve the pollutants for several months (until the late stages of melting). Furthermore, it provides more information about spatial and temporal distribution of traffic-generated magnetic particles than soil. Since the interpretation of data obtained from magnetic measurements of soil is problematic (due to its complexity), this suggests the application of alternative collectors of anthropogenic magnetic particulates (e.g. snow and moss bags). Moss bags and lichens are well suited for magnetic biomonitoring studies, since they effectively accumulate atmospheric pollution and can thus be applied to monitor the spatio-temporal distribution of pollution effects.Kaupunkialueiden ajoneuvoliikenne on yksi merkittävimmistä lähteistä urbaanin ympäristön saastumisessa. Liikenteen aiheuttamat magneettiset partikkelit, raskasmetallit ja muut yhdisteet vaikuttavat ympäröivään ilmanlaatuun ja ovat siten suoraan yhteydessä ihmisten terveyteen.
Tämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena on tunnistaa ja luokitella ajoneuvoliikenteestä lähtöisin olevat magneettiset partikkelit käyttäen magneettisia, kemiallisia ja mikromorfologisia tutkimusmenetelmiä. Näiden kolmen menetelmän yhdistelmää hyödynnettiin erotettaessa tietyistä antropogeenisista lähteistä peräisin olevia magneettisia partikkeleita muihin saastumislähteisiin. Erityinen painoarvo tutkimuksessa kohdistettiin erityyppisiin näyteaineksiin (tien varsien maa-aines, lumi, jäkälä ja sammal) saastumisen kerääjinä. Liikenteen aiheuttamien päästöjen pitoisuuksia sekä niiden paikallista ja ajallista vaihtelua monitoroitiin näyteaineksista eri mittauspisteillä teiden läheisyydessä. ----- Tiealueiden varsille kerääntynyt magneettinen tiepöly ja sen paikallinen jakautuminen em. aineksissa havaittiin olevan erittäin runsasta lähinnä tietä sijaitsevilla mittauspisteillä. Magneettisen aineksen määrä kuitenkin vähenee tasaisesti tiestä poispäin, mutta ajoneuvoliikenne ja sen päästöt ovat merkittävä saastumisen aiheuttaja tienvarsilla. Suurimmat erot tiepölyn magneettisuuden horisontaalisessa jakautumisessa havaittiin maa-aineksen ja lumen välillä. Mittausaineksesta erotettujen magneettisten partikkeleiden määrä oli merkittävästi kohonnut maa-aineksessa muutaman metrin etäisyydellä tiestä, mutta luminäytteissä kohonneita pitoisuuksia havaittiin jopa 60 metrin päässä. Varsinkin vilkkaasti liikennöidyillä tieosuuksilla tienvarsien raskasmetallipitoisuudet olivat huomattavasti kohonneet harvaan liikennöityihin tieosuuksiin verrattuna. Pitoisuuksien eroavaisuudet ovat suoraan yhteydessä liikenteen volyymiin, joka moottoriteiden kohdalla on jopa 30 kertaa suurempi kuin paikallisteillä. Vastaavasti vilkkaasti liikennöityjen teiden läheisyydessä olevien kaupunkipuistojen sammalnäytteiden magneettisissa pitoisuuksissa havaittiin korkeita arvoja verrattuna harvakseltaan liikennöityjen teiden varsilla olevien kaupunkipuistojen sammalnäytteisiin.
Tutkittavista näytteistä havaittiin kohonneita raskasmetallipitoisuuksia esim. Fe, Mn, Zn, Cu, Cr, Ni ja Co. Kohonneet pitoisuudet liittyvät ajoneuvoista peräisin oleviin päästöihin (pakokaasut ja muut kulumisesta aiheutuvat päästöt ajoneuvon materiaaleissa, tienpinnassa jne.) ja/tai näyteainekseen kasaantuneiden partikkelien raekoosta (ultrahienoilla partikkeleilla on suuri aktiivinen pinta, joka absorboi raskasmetalleja). Merkittävin korrelaatio kohonneissa raskasmetallipitoisuuksissa havaittiin tiepölylle altistuneissa sammalnäytteissä, joissa näytteiden magneettinen suskeptibiliteetti oli yhteydessä tiettyjen raskasmetallien keskittymiseen.
Matalan koersivisuuden magnetiitti tunnistettiin merkittävimmäksi magneettiseksi mineraaliksi mittausaineksissa (maa-aines, lumi, sammal ja jäkälä). Näytteissä havaittiin myös titanomagnetiittia, ilmeniittiä, pyriittiä ja magneettikiisua. Tunnistetuista magnetiittipartikkeleista hallitsevin osa on MD (multi-domain) tyyppisiä (raekoko >10 μm) ja loppuosa PSD (pseudo-single-domain) tyyppisiä (10 nm).
Tutkittu tiepöly sisältää kahta eri tyyppiä olevaa antropogeenistä ainesta: (1) yhtä tai useampaa erilaista elementtiä olevia kulmikkaita tai näiden yhdistelmiä olevia partikkeleita (halkaisija ~1-300 µm); (2) pyöreitä partikkeleita (~1-100 µm), jotka sisältävät suurimmaksi osaksi rautaa. Ensimmäisen tyypin partikkelit ovat peräisin ajoneuvon komponenttien kulumisesta, tienpinnasta ja lumen aurauksesta. Pyöreät partikkelit ovat puolestaan palamisprosessien tuotteita esim. hiilen poltosta sähköntuotannossa ja/tai polttoaineen palamisessa ajoneuvoissa.
Tässä väitöskirjassa osoitetaan miten lumi toimii erittäin tehokkaana kerääjänä antropogeenisissa päästöissä ja miten lumi voi säilöä saasteita jopa useita kuukausia ennen sen sulamista. Lisäksi, luminäytteet tarjoavat enemmän informaatiota ajoneuvoliikenteestä lähtöisin olevien magneettisten partikkelien paikallisesta ja ajallisesta vaihtelusta kuin tienvarsien maa-aines. Maa-aineksesta mitatun magneettisen aineiston tulkinta on vaikeaa sen kompleksisuudesta johtuen ja siksi tässä väitöskirjassa esitetyssä tutkimuksessa ehdotetaan vaihtoehtoisten ainesten, kuten lumen ja sammaleen käyttöä antropogeenisten magneettisten partikkelien kerääjinä. Sammaleet ja jäkälät sopivat erinomaisesti magneettisen materian biomonitorointiin, sillä ne varastoivat tehokkaasti ilmansaasteita. Niitä voidaan täten käyttää hyödyksi saastumisen paikallisten- ja ajallisten vaihteluiden seuraamisessa sekä urbaanin ympäristön saastumisen ilmaisimina
