Badanie fizycznych i chemicznych właściwości - klimat
Transkrypt
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.