Aerozole atmosferyczne

Aerozole atmosferyczne to ciekłe krople lub stałe cząstki, które mogą pochodzić z natury, jak w przypadku aerozolu z soli morskiej czy pyłów mineralnych, lub być wynikiem działalności człowieka, jak zanieczyszczenia, w tym aerozole z cząstkami stałymi siarczanów. Prekursorami tych aerozoli są często tlenki siarki i azotu, które w wyniku procesów chemicznych i fotochemicznych przekształcają się w aerozole atmosferyczne.

Rodzaje aerozoli atmosferycznych

Aerozole atmosferyczne można podzielić na cztery główne grupy, bazując na ich pochodzeniu, fazie (ciekła i stała) oraz właściwościach fizycznych i chemicznych:

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

Najbardziej powszechną klasyfikacją według rozmiaru cząstek jest:

PM2,5 (particulate matter 2.5) – wszystkie aerozole o wielkości cząstek 2,5 mikrometra lub mniejszej, zazwyczaj zawierające reaktywne związki organiczne i nieorganiczne (np. azotan amonu);
PM10 (particulate matter 10) – cząstki o wielkości 10 mikrometrów lub mniejszej, w skład których wchodzą obojętne chemicznie związki, takie jak krzemionka i tlenki metali;
TSP (total suspended particulates) – całkowity pył zawieszony, obejmujący wszystkie aerozole, o średnicy cząstek zarówno poniżej, jak i powyżej 10 mikrometrów.

Aerozole atmosferyczne można również klasyfikować ze względu na ich wielkość:

aerozole drobne (fine mode aerosols),
klasę akumulacji (accumulation mode),
aerozole gruboziarniste (coarse mode particulates),
aerozole submikronowe – mniejsze niż mikrometr,
aerozole supermikronowe – większe niż mikrometr.

Warto dodać, że do aerozoli atmosferycznych na ogół nie wlicza się hydrometeorów.

Własności fizyczne

Kształt

Kształt aerozoli atmosferycznych jest determinowany ich rodzajem oraz wilgotnością względną powietrza. Przy wilgotności powyżej 40% związki siarczanowe przybierają formę ciekłych kulek, natomiast w suchym powietrzu mogą być stałymi cząstkami o niesferycznym kształcie. Pyły mineralne, powszechnie znane jako piasek, są zazwyczaj niesferyczne, nawet przy wysokiej wilgotności. Aerozol soli morskiej w warunkach niskiej wilgotności przypomina sześcian z zaokrąglonymi rogami. Cząstki sadzy często tworzą ciągi połączonych kuleczek, natomiast popioły mają nieregularne kształty. Problem z określaniem wielkości niesferycznych cząstek prowadzi do wprowadzenia pojęcia promienia równoważnego, odnoszącego się do promienia sfery o tej samej masie lub objętości.

Wielkość

W fizyce aerozoli pojęcie wielkości jest względne. Cząstki powyżej 10 mikrometrów klasyfikuje się jako olbrzymie lub super olbrzymie. Duże aerozole mają rozmiar od 1 do 10 mikrometrów, a drobne cząstki są mniejsze niż 1 mikrometr.

Koncentracja, masa i prędkość opadania

Chociaż koncentracja aerozoli jest dominowana przez drobne cząstki, to masa aerozolu atmosferycznego w przeważającej mierze pochodzi z niewielkiej liczby gruboziarnistych aerozoli. Dzieje się tak, ponieważ objętość i masa cząstki sferycznej rośnie z sześcianem jej promienia. Dodatkowo, cząstki powyżej 10 mikrometrów mają dużą prędkość opadania, co sprawia, że są rzadkie w atmosferze, oddalając się od źródła emisji, jak obszary pustynne w przypadku pyłów mineralnych. Z tego względu większość cząstek ma promień poniżej 10 mikrometrów, znanych jako PM10.

Emisja aerozoli atmosferycznych

Emisja aerozolu soli morskiej jest uzależniona od prędkości wiatru i załamań fal. Fale oceaniczne wciągają powietrze do wody, które następnie jest dzielone na pęcherzyki powietrza. Te pęcherzyki, wynurzając się z wody, unoszą cząstki słonej wody, tworząc aerozol soli morskiej.

Emisję pyłów mineralnych można parametryzować na podstawie prędkości wiatru, wilgotności i rodzaju podłoża. Źródła pyłów mineralnych obejmują duże pustynie, jak Sahel, Sahara, Gobi czy Taklamakan, a także regionalne źródła. W procesach niekompletnego spalania powstają organiczne i nieorganiczne związki węglowo-grafitowe, popioły i cząstki sadzy. Prekursory aerozolu siarczanów to gazy, takie jak dwutlenek siarki, emitowane głównie przez człowieka. Fizyka i chemia tych procesów są złożone i uwzględniają efekty fotochemiczne.

Ograniczenie produkcji aerozoli antropogenicznych i ich gazowych prekursorów jest obecnie przedmiotem międzynarodowych dyskusji. Inne źródła aerozoli to wulkany, pożary lasów i torfowisk, burze piaskowe, a także produkcja z rozkładu materii w oceanie (DMS) oraz inne naturalne i antropogeniczne zjawiska.

Aerozole atmosferyczne a mikrofizyka chmur

Cząstki aerozolu atmosferycznego są kluczowymi prekursorami dla większości kropelek i kryształków lodu w chmurach. Spontaniczna kondensacja molekuł wody jest mało prawdopodobna i wymaga wysokiego ciśnienia pary wodnej, co w atmosferze nie występuje. Cząstki aerozolu tworzą chmury, zapewniając powierzchnię do kondensacji oraz wpływając na chemiczny skład kropelek. Cząstki te nazywane są jądrami kondensacji, a dobrymi przykładami są aerozole siarczanowe i soli morskiej.

Cząstki aerozolu mogą również działać jako jądra krystalizacji, ułatwiając powstawanie kryształków lodu lub zamarzanie przechłodzonych kropelek chmurowych. Typowe jądra krystalizacji to stałe cząstki o strukturze krystalicznej, takie jak pył mineralny, lecz inne cząstki, w tym organiczne, również mogą brać udział w tym procesie.

Możliwość danego aerozolu (np. siarczanów, soli morskiej, sadzy, pyłów mineralnych) do pełnienia roli jądra kondensacji lub krystalizacji zależy od wcześniejszych interakcji między aerozolami. Wiele pyłów zawieszonych może być pokrytych warstwą ciekłych związków siarki lub tworzyć mieszankę różnych klas aerozoli. Przykładem są interakcje pyłów mineralnych z siarczanami lub aerozolami soli morskiej z pyłami mineralnymi. Te transformacje zachodzą w atmosferze, a także podczas cyklicznych interakcji aerozoli z chmurami, które modyfikują cząstki aerozolu poprzez parowanie i kondensację.

W związku z rolą aerozoli atmosferycznych w tworzeniu cząstek chmurowych, ich koncentracja oraz skład chemiczny mają wpływ na koncentrację i rozkład wielkości kropelek oraz kryształków w chmurach, co z kolei oddziałuje na albedo i czas życia chmur (prawdopodobieństwo powstania opadów) – patrz również efekt aerozolowy pośredni.

Aerozole atmosferyczne a zmiany klimatu

Wielkość aerozoli atmosferycznych jest często porównywalna z długością fali światła widzialnego. Z tego powodu aerozole te oddziałują z promieniowaniem widzialnym i słonecznym, wpływając na albedo Ziemi i chłodząc jej powierzchnię. Istnieje także hipoteza, że duże aerozole soli morskiej i pyłów mineralnych modulują efekt cieplarniany, oddziałując z promieniowaniem podczerwonym. Wpływ radiacyjny zależy od wielkości cząstek aerozoli, co opisuje hipoteza Twomey. Efekt aerozoli może być bezpośredni lub pośredni, poprzez ich wpływ na mikrofizykę chmur.

Pomiary aerozoli atmosferycznych

Pomiary koncentracji i masy aerozoli atmosferycznych są dokonywane za pomocą różnych technik i aparatury, opierających się na różnych zasadach fizycznych. Mogą obejmować analizę próbek powietrza (pomiary in situ) oraz pomiary zdalne (teledetekcyjne).

Pomiary in situ

Jedną z najprostszych metod pomiaru jest ważenie filtru z osadzonym aerozolem atmosferycznym, które wykonuje się co 8 lub 24 godziny, lub w innych odstępach czasowych. Istnieją również techniki ciągłego pomiaru masy. Cząstki mogą być frakcjonowane na mniejsze niż 10 mikrometrów (PM10) lub mniej niż 2,5 mikrometra (PM2.5). Dodatkowo, ciągłe zliczanie koncentracji aerozoli można przeprowadzać metodą rozpraszania światła. Zastosowanie metod absorpcji światła pozwala na wyznaczenie masy aerozolu sadzy. Inne techniki obejmują zdjęcia mikroskopowe do oceny kształtu cząstek oraz wyznaczanie ich właściwości chemicznych metodami spektroskopii masowej.

Pomiary zdalne

Najprostszą metodą zdalnych pomiarów aerozolu jest badanie osłabienia promieniowania słonecznego (w wyniku jego absorpcji i rozpraszania) przez aerozol w kolumnie powietrza między Słońcem a urządzeniem pomiarowym. Umożliwia to określenie grubości optycznej aerozolu, która wzrasta wraz z ilością aerozolu w atmosferze. Do tego celu wykorzystuje się fotometr słoneczny, a jego użycie wymaga braku chmur zasłaniających tarczę słoneczną. Pomiary grubości optycznej prowadzone są m.in. w ramach międzynarodowej sieci AERONET (Aerosol Robotic Network).

Zdalne pomiary aerozolu mogą być również przeprowadzane z wykorzystaniem lidarów, które wysyłają wiązki promieniowania laserowego o różnych długościach do atmosfery i rejestrują promieniowanie powracające, rozproszone przez cząstki aerozolu. Dzięki zastosowaniu różnych długości fal można określić rozkład wielkości aerozolu, zidentyfikować aerozole absorbujące (np. sadza) oraz pył mineralny. Analiza promieniowania o różnej polaryzacji pozwala na oszacowanie kształtu cząstek aerozolu. Cząstki jednorodne, takie jak krople, nie depolaryzują światła. Depolaryzacja sygnału niesie informację o niesferycznym kształcie cząstek. Pomiary lidarowe mogą być prowadzone zarówno z powierzchni Ziemi, jak i z pokładu samolotu lub satelity. W Europie pomiary lidarowe realizowane są w ramach sieci EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network).

Dodatkowo, do pomiarów aerozolu atmosferycznego można wykorzystać satelity rejestrujące promieniowanie słoneczne rozpraszane przez aerozol oraz powierzchnię Ziemi. W Polsce sieć badawcza Poland-AOD zajmuje się wszechstronnymi pomiarami aerozolu atmosferycznego metodami teledetekcyjnymi.

Notatka o nazewnictwie

Nazewnictwo aerozoli jest skomplikowane, ponieważ wiele terminów jest tłumaczonych bezpośrednio z angielskiego, a angielska terminologia jest stosunkowo mało precyzyjna. Przykładowo, terminy atmospheric aerosol, particulate matter, oraz particulates są używane zamiennie. W Polsce, zwłaszcza w dokumentach legislacyjnych, termin pyły zawieszone odnosi się do wszystkich typów aerozoli atmosferycznych, w tym kropli siarczanów, cząstek sadzy oraz aerozolu soli morskiej. Warto jednak zauważyć, że angielskie „dust” nie obejmuje wszystkich aerozoli atmosferycznych. Dodatkowo, w języku polskim aerozole są często kojarzone z rozpylanymi kroplami, podczas gdy pyły są zazwyczaj uważane za cząstki stałe.