Η φωτοχημική ρύπανση αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα υποβάθμισης της ποιότητας του αέρα στο περιβάλλον αστικών περιοχών, με επιπτώσεις στη δημόσια υγεία, το κλίμα και τα οικοσυστήματα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται οι χωροχρονικές μεταβολές των σημαντικών δεικτών φωτοχημικής ρύπανσης, δηλαδή των συγκεντρώσεων των ΝΟ, ΝΟ₂ και Ο₃, στις ευρύτερες αστικές περιοχές της Αθήνας και της Θεσσαλονίκης, κατά την περίοδο 2001-2023. Η ανάλυση βασίστηκε στα διαθέσιμα δεδομένα από 13 επιλεγμένους σταθμούς ελέγχου ατμοσφαιρικής ρύπανσης του Εθνικού Δικτύου Παρακολούθησης Ατμοσφαιρικής Ρύπανσης (ΕΔΠΑΡ), του Υπουργείου Περιβάλλοντος και Ενέργειας. Οι σταθμοί επιλέχθηκαν σε σχέση με τα περιβαλλοντικά τους χαρακτηριστικά, ώστε να αντιπροσωπεύονται διαφορετικοί τύποι αστικού περιβάλλοντος (σταθμοί κυκλοφορίας, υποβάθρου, περιαστικοί και βιομηχανικοί). Στόχος της μελέτης ήταν η διερεύνηση των τάσεων των προαναφερθέντων ρύπων, σε σχέση με τις κοινωνικές και οικονομικές εξελίξεις, καθώς και την αποτελεσματικότητα περιβαλλοντικών μέτρων στη διαμόρφωση των επιπέδων των ρύπων αυτών.

Συγκεκριμένα, η μελέτη εξετάζει διαχρονικά την ετήσια, την εποχική, τη μηνιαία, την ημερήσια και την ωριαία διακύμανση, των ΝΟ, ΝΟ₂ και Ο₃, για τέσσερις χαρακτηριστικές περιόδους: 2001-2010 (περίοδος προ της ελληνικής οικονομικής κρίσης), 2011-2020 (περίοδος κατά τη διάρκεια της ελληνικής οικονομικής κρίσης), περίοδος περιοριστικών μέτρων λόγω της πανδημίας COVID-19 (Μάρτιος 2020-Ιανουάριος 2021) και 2021-2023 (περίοδος μετά την πανδημία). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι συγκεντρώσεις των NO και ΝΟ₂ ήταν αυξημένες στο κέντρο της κάθε πόλης, ενώ αντίθετα, οι συγκεντρώσεις του O₃, όπως αναμενόταν, ήταν αυξημένες στους σταθμούς που βρίσκονται περιφερειακά των πόλεων.

Οι μέσες ετήσιες συγκεντρώσεις των ΝΟ και ΝΟ₂ παρουσίασαν, στις περισσότερες περιοχές της ευρύτερης περιοχής της Αθήνας και της Θεσσαλονίκης, τάσεις μείωσης, ιδιαίτερα κατά τις περιόδους 2001-2010 και 2011-2020, γεγονός που αποδίδεται στη μείωση των εκπομπών ΝΟx, κυρίως εξαιτίας της βελτίωσης της τεχνολογίας οχημάτων και καυσίμων, των νέων κοινωνικών και οικονομικών συνθηκών, που διαμορφώθηκαν από την ελληνική οικονομική κρίση και στην υιοθέτηση διάφορων περιβαλλοντικών μέτρων. Αντίθετα, στους περισσότερους σταθμούς, οι μέσες ετήσιες συγκεντρώσεις του Ο₃, διαχρονικά, παρουσίασαν αυξητικές τάσεις ή και σταθεροποίησης των επιπέδων. Οι αυξητικές αυτές τάσεις του Ο₃ μπορεί να οφείλονται στη μείωση των πρόδρομων ρύπων του όζοντος, καθώς και στην αύξηση των επιπέδων και της διάρκειας των επεισοδίων υψηλών θερμοκρασιών και ηλιακής ακτινοβολίας, που παρατηρούνται τις τελευταίες δεκαετίες. Η περίοδος της πανδημίας του COVID-19 είχε σαν αποτέλεσμα την περαιτέρω σημαντική μείωση των συγκεντρώσεων των NOx, λόγω του περιορισμού των μετακινήσεων και της ανθρωπογενούς δραστηριότητας. Την ίδια περίοδο οι συγκεντρώσεις Ο₃, ειδικά στους σταθμούς αστικής κυκλοφορίας, παρουσίασαν αύξηση ή και σταθεροποίηση των επιπέδων τους, σε σχέση με τις προηγούμενες δεκαετίες, ενώ στους περισσότερους περιαστικούς σταθμούς υποβάθρου σταθεροποίηση των συγκεντρώσεων Ο₃, ιδίως τους μήνες ισχύος των περιοριστικών μέτρων. Μετά την πανδημία, σε αρκετές αστικές περιοχές παρατηρήθηκε σταδιακή επιστροφή των NOx σε προγενέστερα επίπεδα (χωρίς όμως να προσεγγίζουν τα επίπεδα προ του 2010), ενώ σε ορισμένες περιαστικές περιοχές, οι συγκεντρώσεις παρέμειναν σε χαμηλά επίπεδα.

Η εποχική και μηνιαία διακύμανση των συγκεντρώσεων του NO, σχεδόν σ’ όλους τους σταθμούς, δείχνει ότι, στις περισσότερες περιοχές, υπήρξε σαφής εποχικότητα, με μέγιστες τιμές το χειμώνα και ελάχιστες το καλοκαίρι, ενώ η αντίστοιχη του ΝΟ₂, στους περισσότερους σταθμούς, παρουσίασε μικρή διακύμανση μεταξύ χειμερινού και θερινού εξαμήνου. Αντίθετα, η εποχική και μηνιαία διακύμανση των συγκεντρώσεων του Ο₃ έδειξε ότι, στις περισσότερες περιοχές, εμφανίσθηκαν υψηλότερες τιμές Ο₃ τους θερινούς μήνες, εξαιτίας κυρίως της αυξημένης έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και διάρκειας της ηλιοφάνειας, κατά την περίοδο αυτή, η οποία ενισχύει σημαντικά το σχηματισμό του Ο₃ από φωτοχημικές διεργασίες και χαμηλές τιμές κατά τους χειμερινούς μήνες του έτους.

Η διακύμανση των μέσων συγκεντρώσεων NO και NO₂ ανά ημέρα εβδομάδας των επιλεγμένων περιόδων, σ’ όλους τους σταθμούς, έδειξε ότι οι συγκεντρώσεις τους ήταν μειωμένες τα Σαββατοκύριακα και ιδιαίτερα την Κυριακή, σε σύγκριση με τις εργάσιμες ημέρες της εβδομάδας. Αντίθετα, στους περισσότερους σταθμούς η ανά ημέρα εβδομάδας διακύμανση των συγκεντρώσεων του Ο₃, παρουσίασε τις χαμηλότερες τιμές εντός των εργάσιμων ημερών της εβδομάδας (Δευτέρα-Παρασκευή) και σταθερή αύξηση προς το Σαββατοκύριακο και ιδιαίτερα την Κυριακή. Η μέση ωριαία διακύμανση των NO και NO₂, στους περισσότερους σταθμούς, εμφάνισε ένα πρωινό πρωτεύον μέγιστο και ένα βραδινό δευτερεύον μέγιστο. Αντίστοιχα, η μέση ωριαία διακύμανση των συγκεντρώσεων Ο₃, εμφάνισε ένα μέγιστο, κατά τη διάρκεια των μεσημεριανών και πρώτων απογευματινών ωρών και ένα ελάχιστο κατά τις πρώτες πρωινές ώρες.

Το σύνολο των παραπάνω παρατηρήσεων επιβεβαιώνει ότι η χωροχρονική κατανομή των επιπέδων των ΝΟ, ΝΟ₂ και Ο₃, δεν σχετίζεται μόνο με τη διακύμανση των κυκλοφοριακών, βιομηχανικών και άλλων τοπικών εκπομπών, στις αστικές περιοχές, αλλά και με τον ημερήσιο φωτοχημικό κύκλο των χημικών αντιδράσεων, που οδηγούν στο σχηματισμό του όζοντος και τις μεταβολές των μετεωρολογικών συνθηκών, που επικρατούν στην κάθε περιοχή. Έτσι, η κατανόηση των διακυμάνσεων των φωτοχημικών ρύπων μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στο σχεδιασμό αποτελεσματικών περιβαλλοντικών παρεμβάσεων για την προστασία της δημόσιας υγείας και τη βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης των πολιτών στις αστικές περιοχές

Photochemical pollution is one of the major factors contributing to air quality degradation in urban environments, with impacts on public health, climate and ecosystems. This thesis examines the spatiotemporal changes of the important indicators of photochemical pollution, namely, concentrations of ΝΟ, ΝΟ₂ και Ο₃, in the wider urban areas of Athens and Thessaloniki, during the period 2001-2023. The analysis is based on available data from 13 selected stations of the National Air Pollution Monitoring Network (EDPAR), operated under the supervision of the Ministry of Environment and Energy. The stations were chosen according to their environmental characteristics so as to represent different types of urban environment (traffic, background, suburban and industrial monitoring station). The aim of the study was to investigate the trends of the aforementioned pollutants, in relation to social and economic developments, as well as the effectiveness of environmental measures in shaping their levels.

Specifically, the study examines the annual, seasonal, monthly, daily, and hourly variation of NO, NO₂ and O₃, for four characteristic periods: 2001 - 2010 (period before the Greek economic crisis), 2011 - 2020 (during the economic crisis), the COVID-19 lockdown period (March 2020 - January 2021) and 2021 - 2023 (period after the pandemic). The results indicate that concentrations of NO and NO₂ were elevated in the center of each city, whereas concentrations of O₃, as expected, were higher at stations located in suburban areas.

The average annual concentrations of NO and NO₂ showed, in the most areas of the greater Athens and Thessaloniki region, decreasing trends, especially during the periods 2001 – 2010 and 2011 – 2020, which is attributed to the reduction of NOx emissions, mainly as a result of improvements in vehicle and fuel technology, the new social and economic conditions, formed by the Greek economic crisis and the adoption of various environmental measures. In contrast, in most stations, the average annual concentrations of O₃, over time, showed increasing trends or even stabilization of the levels. These increasing trends in O₃ may be due to the reduction of ozone precursor pollutants, as well as to the increase in the levels and duration of high temperatures and solar radiation observed in recent decades. The COVID-19 lockdown period resulted in a further significant decrease in NOx concentrations, due to the restriction of mobility and anthropogenic activity. During the same period, O₃ concentrations, especially at urban traffic stations, showed an increase or stabilization of their levels compared to previous decades, while in most suburban background stations O₃ concentrations stabilized, particularly during the months of restrictive measures. After the pandemic, in several urban areas there was a gradual return of NOx to previous levels (although not approaching pre-2010 levels), while in some suburban areas, concentrations remained low.

The seasonal and monthly variation of NO concentrations, in almost all stations, shows that, in most areas, there was clear seasonality, with maximum values in winter and minimum in summer, while the corresponding variation of NO₂, in most stations, showed little variation between winter and summer semesters. Conversely, the seasonal and monthly variation in O₃ concentrations showed that, in most areas, higher O₃ values occurred during the summer months, mainly due to the increased intensity of solar radiation and duration of sunshine, during this period, which significantly enhances the formation of O₃ from photochemical processes and low values during the winter months of the year.

The variation of the average NO and NO₂ concentrations per weekday of the selected periods, showed that their concentrations were reduced on weekends and especially on Sunday, compared to weekday workdays. By contrast, in most stations the variation per week day of O₃ concentrations showed the lowest values within the working days of the week (Monday-Friday) and a steady increase towards the weekend and especially on Sunday. The average hourly variation of NO and NO₂, at most stations, displayed a morning primary maximum and an evening secondary maximum. Respectively, the mean hourly variation in O₃ concentration showed a maximum during the mid afternoon and early afternoon hours and a minimum during the early morning hours.

The entirety of the above observations confirms that the spatiotemporal distribution of levels of NO, NO₂ and O₃ is not only related to the variation of traffic, industrial and other local emissions in urban areas, but also to the daily photochemical cycle of atmospheric reactions leading to ozone formation, as well as to changes in prevailing meteorological conditions. Therefore, understanding such variations can substantially contribute to the design of effective environmental policies aimed at protecting public health and improving living conditions in urban areas.