Badanie fizycznych i chemicznych właściwości - klimat

© 4 I 2012
Zadanie 2. Stan zanieczyszczenia powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia – możliwości ograniczenia skutków
Badanie fizycznych i chemicznych właściwości
zanieczyszczeń powietrza oraz ich wpływu na warunki
meteorologiczne, zwłaszcza optyczne atmosfery
klimat.imgw.pl/
e-mail: klimat@imgw.
Monitoring zanieczyszczeń atmosfery
Zapylenie powietrza atmosferycznego to
jeden z najważniejszych problemów zdrowotnych we wszystkich krajach uprzemysłowionych. Atmosferyczny pył zawieszony (PM – particulate matter) często określany, jako aerozol atmosferyczny, jest
zbudowany z substancji (cząstek) stałych
i/lub w roztworze wodnym, które są emitowane do powietrza zarówno ze źródeł naturalnych, jak i związanych z działalnością
człowieka. Pył zawieszony w większości
miejsc ma charakter polidyspersyjny
– w zależności od miejsca i czasu może
mieć różnorodne właściwości fizyczne
i chemiczne. Dodatkowo antropogeniczna emisja PM w skali lokalnej i regionalnej,
jak również stężenia i skład atmosferycznego PM, zależą zarówno od warunków
meteorologicznych, jak i geograficznych
w danym obszarze.
Jedną z istotnych cech różnicującą właściwości cząstek fazy rozproszonej aerozoli
jest ich wielkość wyrażana zazwyczaj jako
średnica równoważna (najczęściej aerodynamiczna, dae). Rozmiar cząstek aerozolu
atmosferycznego waha się w szerokich
granicach – od świeżo utworzonych skupień zawierających kilka molekuł, aż
do kropelek chmurowych i cząstek pyłu
krustalnego osiągających do kilkudziesięciu μm. W powietrzu atmosferycznym,
w każdym punkcie obserwacji, mogą
wystąpić cząstki o średnicach aerodynamicznych z całego przedziału od 0,001
do 100 μm. Przedział ten określa całość fazy rozproszonej aerozolu atmosferycznego
(TSP – Total Suspended Particulates).
Właściwości chemiczne i fizyczne aerozolu oraz liczba cząstek zależą od ich średnicy, fazy, składu jak również od miejsca
ich powstawania i miejsca występowania.
Mając na uwadze chemię atmosfery, właściwości fizyczne i znaczenie dla zdrowia,
główne zainteresowanie jest skupione
na następujących frakcjach:
PM2,5 (pył drobny) – pył, którego
cząstki mają dae nie większą niż
2,5 μm, najczęściej związany ze spalaniem, może być pochodzenia pierwotnego (wprost z emitora) lub wtórnego
(z reakcji chemicznych w atmosferze)
PM2,5-10 (pył gruby) – pył, którego
cząstki mają dae większą niż 2,5 μm,
ale nie większą niż 10 μm – wytwarzany głównie mechanicznie, także pochodzenia biologicznego
PM10 (suma PM2,5 i PM2,5-10) – pył,
którego cząstki mają dae nie większą
niż 10 μm.
Wpływ aerozolu na zmiany klimatu nie jest
zagadnieniem do końca poznanym. W zależności od jego koncentracji, składu chemicznego, struktury, wielkości cząstek może bezpośrednio wpływać na elementy
meteorologiczne powietrza lub w sposób
pośredni.
Z punktu widzenia fizyki atmosfery można wyróżnić następujące sposoby oddziaływania aerozolu atmosferycznego:
bezpośredni polegający na rozpraszaniu i absorpcji fal elektromagnetycznych o różnych długościach, powodujący ekstynkcję strumieni promieniowania rozchodzących się w atmosferze
pośredni polegający na wpływie aerozolu na własności mikrofizyczne chmur.
Znaczenie tego efektu jest duże, ponieważ wzrost koncentracji aerozolu
zwiększa prawdopodobieństwo kondensacji wody, co prowadzi do większej koncentracji kropli w atmosferze
powodując zwiększenie efektywności
odbijania promieniowania słonecznego
oraz zatrzymywania promieniowania
ziemskiego
bezpośrednio-pośredni – obecność aerozolu absorbującego w warstwie powietrza powoduje wzrost temperatury,
co z kolei wpływa na parowanie kropli
chmurowych.
Znaczna emisja aerozoli, szczególnie
w obszarach miejskich, powoduje silniejsze rozpraszanie i absorbowanie energii
słonecznej, wpływając na właściwości
chemiczne (fotochemiczne) oraz fizyczne
(optyczne) powietrza.
Badania epidemiologiczne wykazały istnienie statystycznych powiązań między
skutkami zdrowotnymi a stężeniem pyłu
drobnego, zwłaszcza submikronowej frakcji PM (cząstki o dae <1 μm), które mogą
dotrzeć do pęcherzyków płucnych.
Istnieje duża liczba badań stężenia masowego, składu chemicznego PM2,5 i PM10
w wielu obszarach miejskich i o dużym
Instytut Meteorologii
i Gospodarki Wodnej
Państwowy Instytut Badawczy
uprzemysłowieniu. Znacznie mniej wiadomo i mniej wykonano badań odnośnie
PM1. Wszystkie te fakty potwierdzają potrzebę zainteresowania się rozkładem wielkości cząstek o dae do 10 μm, ale ze
szczególnym zwróceniem uwagi na cząstki ultradrobne (UFP – ultrafine particles)
do 100 nanometrów. (PM1). Rozmiar cząstek PM w odniesieniu do włosa ludzkiego
i błony komórkowej przedstawiają rysunki.
Cząstka PM o średnicy 0,1, 2,5 i 10 μm w porównaniu z włosem ludzkim o średnicy ~60 μm
(źródło: USC University of Southern California)
Pojedyncza nanocząstka na tle błony komórkowej wchłaniającej różne proteiny (źródło: Shi, J.
P. et al., Measurements of ultrafine particle concentration and size distribution in the urban atmosphere. The Science of the Total Environment 235, pp. 51–64, 1999)
W miastach obserwuje się małą zmienność przestrzenną, a dużą czasową stężeń PM, co dobrze oddaje udział w poziomie stężeń zanieczyszczeń pyłowych źródeł regionalnych i transportu aerozolu
z dalszych obszarów. Generalnie zmienność poziomu pyłu zawieszonego wykazuje przebieg sezonowy.
Poznanie struktury, przemian i wpływu aerozolu na organizmy żywe, zdrowie człowieka oraz kształtowanie się pogody (klimatu) w skali lokalnej, regionalnej czy globalnej nie jest możliwe bez bezpośrednich
pomiarów i obserwacji, a w efekcie modelowaniu i powiązaniu poziomu aerozolu
w powietrzu z badaniami oceny ryzyka
zdrowotnego.
© 4 I 2012
Zadanie 2. Stan zanieczyszczenia powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia – możliwości ograniczenia skutków
Badanie fizycznych i chemicznych właściwości
zanieczyszczeń powietrza oraz ich wpływu na warunki
meteorologiczne, zwłaszcza optyczne atmosfery
klimat.imgw.pl
e-mail: [email protected]
Monitoring zanieczyszczeń atmosfery
W ramach projektu KLIMAT od 1 stycznia
2010 r. działają operacyjnie dwie automatyczne stacje badań zanieczyszczeń powietrza, w tym drobnych i ultradrobnych
cząstek w powietrzu. Pierwsza znajduje
się na terenie stacji synoptycznej PSHM
IMGW-PIB w Raciborzu, natomiast druga
na terenie IPIŚ PAN w Zabrzu. Stacja
w Raciborzu stanowi punkt tła regionalnego, a w Zabrzu – punkt tła miejskiego. Dodatkowo są wykorzystywane wyniki pomiarów prowadzone przez WIOŚ w Katowicach na stacji automatycznej w Zabrzu
oraz dane z pomiarów manualnych
w punkcie pomiarowym w Raciborzu. Pomiary elementów meteorologicznych stanowią osłonę systemu monitoringu jakości powietrza.
Program pomiarowy prowadzony w ramach projektu jest realizowany za pomocą następującego zestawu przyrządów
pomiarowych:
licznika cząstek ultradrobnych sześciokanałowego w zakresie cząstek PM
od 20 do – 1000 nm – Ultrafine Particle Monitor Model (UFP) TSI Model 3031,
miernika stężeń TSP, PM10, PM2,5
i PM1 – laserowy miernik DustTrak
DRX Aerosol Monitor Model 8534,
nefelometru integrującego do pomiaru
własności optycznych atmosfery typu
AURORA 3000 i TSI 3563,
pobornika pyłów PM2,5-10 i PM2,5
– Dichotomus Partisol Plus model 2025 firmy Rupprecht & Patashnick
Co,
elektrycznego impaktora niskociśnieniowego do pomiaru stężeń i składu
ziarnowego PM w czasie rzeczywistym
cząstek o rozmiarach od 30 nm
do 10 000 nm – ELPI – Electrical Low
Pressure Impactor.
stacji pomiarowej typu Air Pointer
do pomiaru PM2,5, PM10, NO2, SO2,
CO, O3.
Stacje monitoringu jakości powietrza –
w Raciborzu (górne zdjęcie, fot. Ewa Krajny)
oraz w Zabrzu (dolne zdjęcie, fot. Krzysztof
Klejnowski)
spektrometru cząstek PM o średnicach 500-20 000 nm – Aerodynamic
Particle Sizer Spectrometer (APS) TSI
Model 3321,
Zawartość wybranych pierwiastków w pyle PM1w Raciborzu i Zabrzu
Instytut Meteorologii
i Gospodarki Wodnej
Państwowy Instytut badawczy
Przeprowadzone pomiary pozwoliły na:
identyfikację składu frakcyjnego, składu
chemicznego i pośrednio źródła pochodzenia zanieczyszczeń podczas
epizodów ich wysokich stężeń,
doprowadziły do określenia zależności
między stężeniem zanieczyszczeń
pyłowych, ich składem frakcyjnym
a widzialnością poziomą,
stworzenie bazy do oceny wpływu
domieszek atmosferycznych na bilans
promieniowania.