Aerozole atmosferyczne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Aerozole atmosferyczne (pyły zawieszone, drobiny) to ciekłe krople lub stałe cząstki pochodzenia naturalnego jak w przypadku aerozolu soli morskiej lub pyłów mineralnych, albo cząstki produkowane przez człowieka (zanieczyszczenia) jak to jest w przypadku aerozolu kropli lub cząstek stałych siarczanów. Często prekursorami aerozoli atmosferycznych są tlenki siarki i azotu, które są przekształcane w procesach chemicznych i fotochemicznych w aerozole atmosferyczne[1][2].

Rodzaje aerozoli atmosferycznych[edytuj | edytuj kod]

Aerozole atmosferyczne można sklasyfikować ze względu na pochodzenie, fazę (ciekła i stała), własności fizyczne i chemiczne na cztery duże grupy:

  • aerozol soli morskiej,
  • pyły pochodzenia mineralnego (w Europie np. chmury piasku znad Sahary)[2],
  • organiczne i nieorganiczne związki węglowo-grafitowe, popioły i cząstki sadzy,
  • siarczany.

Najczęściej spotykaną klasyfikacją ze względu na wielkość cząstek jest:

  • PM2.5 (particulate matter 2.5) — wszystkie aerozole atmosferyczne o wielkości cząstek 2.5 mikrometra lub mniejszej[3], w skład których wchodzą zwykle stosunkowo reaktywne związki organiczne i nieorganiczne (np. azotan amonu)[2];
  • PM10 (particulate matter 10) — wszystkie cząstki o wielkości 10 mikrometrów lub mniejszej[4], w skład których wchodzą zwykle stosunkowo obojętne chemicznie związki takie jak krzemionka i tlenki metali[2];
  • TSP (total suspended particulates) — całkowity pył zawieszony, czyli wszystkie aerozole, o średnicy cząstek zarówno poniżej jak i powyżej 10 mikrometrów.

Ze względu na wielkość aerozole atmosferyczne można podzielić na

  • aerozole drobne (fine mode aerosols)
  • klasę akumulacji (accumulation mode)
  • aerozole gruboziarniste (coarse mode particulates)

lub na aerozole

  • submikronowe – mniejsze niż mikrometr
  • supermikronowe – większe niż mikrometr

Zwyczajowo do aerozoli atmosferycznych nie zalicza się hydrometeorów

Własności fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Kształt[edytuj | edytuj kod]

Kształt aerozoli atmosferycznych zależy od ich rodzaju, a także od wilgotności względnej w powietrzu. Związki siarczanów są ciekłymi kulkami, kiedy w powietrzu wilgotność względna jest powyżej około 40%, a w suchym powietrzu o małej wilgotności względnej mogą być stałymi cząstkami niesferycznymi. Pyły mineralne (potocznie nazywane piaskiem) są prawie zawsze niesferyczne, nawet przy dużej wilgotności względnej. Aerozol soli morskiej przy małej wilgotności z wyglądu przypomina sześcian, którego rogi są zaokrąglone. Pyły sadzy dość często to ciąg połączonych w łańcuch nanometrowych kuleczek, a popioły mają nieregularne kształty. Jednym z kłopotów związanych z występowaniem niesferycznych cząstek jest definicja ich wielkości. Wprowadza się pojęcie promienia równoważnego promieniowi sfery dla tej samej masy lub tej samej objętości aerozolu niesferycznego. Czasami wprowadza się też pojęcie promienia aerodynamicznego związanego ze sposobem (optycznym) pomiaru cząstki niesferycznej.

Wielkość i prędkość opadania[edytuj | edytuj kod]

Fizyka aerozoli to przykład, że wielkość jest pojęciem względnym. Otóż olbrzymie lub super olbrzymie drobiny aerozolu to cząstki powyżej 10 mikrometrów (1 milimetr ma 1000 mikrometrów). Duże aerozole mają wielkość 1-10 mikrometra. Definiuje się, że drobne cząstki aerozolu są mniejsze niż jeden mikrometr.

Koncentracja i masa[edytuj | edytuj kod]

Wprawdzie koncentracja aerozoli atmosferycznych jest dominowana przez aerozole drobne, ale masa aerozolu atmosferycznego jest zazwyczaj dominowana przez stosunkowo małą liczbę aerozoli gruboziarnistych. Dzieje się tak, dlatego że objętość i masa cząstki sferycznej rośnie z trzecią potęgą jej promienia. Innym ważnym faktem powodującym, że jest mało dużych pyłów zawieszonych w atmosferze jest ich prędkość opadania. Aerozole powyżej 10 mikrometrów mają stosunkowo dużą prędkość opadania (depozycji) w atmosferze. Dlatego aerozole atmosferyczne większe niż 10 mikrometrów są rzadkie daleko od źródła emisji, np. daleko od obszarów pustynnych w przypadku pyłów mineralnych.

Ze względu na szybkie opadanie (depozycja) super wielkich cząstek aerozolu atmosferycznego o promieniu pomiędzy 10-100 mikrometrów większość drobin ma promień poniżej 10 mikrometrów. Aerozole te nazywa się PM10 (od ang. particulate matter).

Emisja aerozoli atmosferycznych[edytuj | edytuj kod]

  • Emisja aerozolu soli morskiej jest związana z prędkością wiatru a dokładniej z załamującymi się falami. Fale oceaniczne powodują wciąganie powietrza do wody, które następnie zostaje rozdrobnione na milimetrowej wielkości pęcherzyki powietrza. Te pęcherzyki powietrza wyskakują z dużą prędkością z wody i unoszą za sobą cząstki słonej wody, które następnie tworzą aerozol soli morskiej.
  • Emisja pyłów zawieszonych pochodzenia mineralnego jest bezpośrednio parametryzowana prędkością wiatru oraz wilgotnością i rodzajem podłoża. Emisja pyłów mineralnych jest związana z wielkimi pustyniami takimi jak Sahel, Sahara, Gobi, czy Taklamakan, ale też z regionalnymi źródłami pyłów mineralnych.
  • Prekursorami aerozolu siarczanów są gazy (dwutlenek siarki) powstające głównie przez działalność człowieka. Fizyko-chemia tych procesów jest skomplikowana i musi uwzględniać efekty fotochemiczne.

Ograniczenie produkcji aerozoli spowodowanych działalnością człowieka (aerozole antropogeniczne) i ich gazowych prekursorów jest obecnie przedmiotem światowych dyskusji międzyrządowych. Innymi źródłami aerozoli atmosferycznych są wulkany, pożary lasów i torfowisk, burze piaskowe, produkcja z rozkładu materii w oceanie (DMS) i inne naturalne i antropogeniczne zjawiska.

Aerozole atmosferyczne i mikrofizyka chmur[edytuj | edytuj kod]

Aerozole atmosferyczne są prekursorem większości kropel chmurowych i kryształów lodu. W atmosferze kondensacja pary wodnej następuje przy przesyceniu w danej temperaturze (patrz zjawisko kondensacji i parowania), ale zarodkami kondensacji, a więc początkiem kropli i kryształów lodu, są zazwyczaj aerozole atmosferyczne. Ze względu na ich własności nukleacyjne (zdolność tworzenia cząstek chmurowych) można podzielić je na

  • jądra nukleacji kropli chmurowych (cloud condensation nucleii),
  • jądra nukleacji kryształów (ice condensation nucleii)

Klasy aerozoli atmosferycznych będących prekursorami cząstek chmurowych zależą od ich własności. Siarczany i sól morska są powszechnie uważane za odpowiedzialne za tworzenie się kropli chmurowych. Natomiast pyły mineralne wpływają na nukleację lodu w atmosferze. To czy dana kategoria aerozolu atmosferycznego (siarczany, sól morska, sadza, pyły mineralne) może służyć jako zarodek nukleacji zależy też od uprzedniego oddziaływania aerozoli między sobą. Uważa się, że wiele pyłów zawieszonych jest w istocie pokrytych warstwą ciekłych związków siarki lub, dzięki zderzeniom, jest mieszaniną dwóch lub kilku klas aerozoli. Dla przykładu, pyły mineralne mogą oddziaływać w atmosferze z siarczanami natomiast aerozol soli morskiej lub łańcuchy sadzy mogą się łączyć z pyłami mineralnymi. Te transformacje zachodzą w swobodnej atmosferze, ale często odbywają się podczas cyklicznych oddziaływań aerozoli z chmurami, które parując i kondensując modyfikują cząstki aerozolu.

Aerozole atmosferyczne i zmiany klimatu[edytuj | edytuj kod]

Wielkość aerozoli atmosferycznych jest często porównywalna z długością fali światła widzialnego. Z tego względu aerozole atmosferyczne silnie oddziaływają z promieniowaniem widzialnym i słonecznym zmieniając albedo ziemi i oziębiając powierzchnię Ziemi. Istnieje też hipoteza, że duże aerozole soli morskiej i pyłów mineralnych wpływają na modulację efektu cieplarnianego, czyli oddziaływają z promieniowaniem podczerwonym. Wpływ radiacyjny jest zależny od wielkości cząstek aerozoli atmosferycznych – patrz hipoteza Twomey. Efekt aerozoli może być bezpośredni lub pośredni poprzez ich wpływ na mikrofizykę chmur.

Pomiary aerozoli atmosferycznych[edytuj | edytuj kod]

Pomiary koncentracji i masy aerozoli atmosferycznych dokonywane są aparaturą i technikami opartymi na różnych zasadach fizycznych. Najprostszym pomiarem jest ważenie filtru z osadzonym aerozolem atmosferycznym. Pomiary takie dokonuje się raz na 8 lub 24 godziny, lub w innych okresach. Istnieją też techniki ciągłego pomiaru masy. Przed pomiarem cząstki mogą być rozdzielane (frakcjonowane) na mniejsze niż 10 mikrometrów (PM10) lub mniejsze niż 2.5 mikrometrów (PM2.5). Dodatkowo można w sposób ciągły zliczać koncentrację aerozoli za pomocą metod rozpraszania światła. Metodami absorpcji światła wyznacza się masę aerozolu sadzy. Inne techniki to użycie zdjęć mikroskopowych do oceny kształtu cząstek lub wyznaczenie ich własności chemicznych metodami spektroskopii masowej.

Notatka o nazewnictwie[edytuj | edytuj kod]

Nazewnictwo jest skomplikowane ze względu na to, że dużo terminów jest tłumaczonych bezpośrednio z angielskiego a terminologia angielska jest stosunkowo mało precyzyjna. Dla przykładu atmospheric aerosol, particulate matter, particulates są używane w angielskim wymiennie. Ostatnio w Polsce, zwłaszcza w dokumentach legislacyjnych, używa się terminu pyły zawieszone na określenie wszystkich typów aerozolu atmosferycznego włączając w to krople siarczanów, cząstki sadzy oraz aerozol soli morskiej. Jednak pyły atmosferyczne (ang. dust) w języku angielskim nie określają wszystkich aerozoli atmosferycznych. Pewien problem sprawia fakt, że w języku polskim aerozole są kojarzone z rozpylanymi kropelkami, a pyły są kojarzone w większości z cząstkami stałymi.

Przypisy

  1. Stanisław Kamiński: Podstawowe zanieczyszczenia powietrza. Ekoportal.gov.pl.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 POMIAR ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA PYŁEM ZAWIESZONYM PM 10, PM 2,5 Z WYKORZYSTANIEM METODY GRAWIMETRYCZNEJ. RadWag.
  3. Pył PM2.5. Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego.
  4. Pył PM10. Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego.