pyły zawieszone

Pyły zawieszone, aerozole atmosferyczne – mikroskopijne cząstki stałe lub kropelki cieczy unoszące się w powietrzu, emitowane do atmosfery wskutek procesów naturalnych (np. pyły mineralne, popioły wulkaniczne, aerozol soli morskiej) bądź działalności człowieka (np. sadza,  popioły, pyły metalurgiczne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, metale ciężkie). Mogą także powstawać w reakcjach chemicznych i fotochemicznych z gazów prekursorowych w atmosferze (np. siarczany, azotany). Pyły zawieszone mają istotny wpływ na kształtowanie się wzorców pogodowych i klimatycznych przez zdolność do bezpośredniego pochłaniania lub rozpraszania promieni słonecznych oraz udział w procesie formowania się chmur i opadów atmosferycznych (jako jądra kondensacji). Nadmierna ekspozycja na pyły zawieszone może prowadzić do chorób układu oddechowego, chorób sercowo-naczyniowych lub nowotworów.

Występowanie pyłów zawieszonych w atmosferze

Pyły zawieszone (PM, ang. particulate matter), zwane również aerozolami atmosferycznymi, są cząstkami stałymi lub kroplami cieczy, które unoszą się swobodnie w powietrzu w dolnych warstwach atmosfery (troposferze). Pyły (aerozole) pierwotne emitowane są bezpośrednio do atmosfery w wyniku procesów naturalnych (np. pyły mineralne, popioły wulkaniczne, aerozol soli morskiej) lub działalności człowieka (np. sadza, popioły lotne, pyły metalurgiczne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, związki metali ciężkich). Pyły (aerozole) wtórne (np. siarczany, azotany) powstają na drodze reakcji chemicznych lub fotochemicznych z gazów prekursorowych występujących w atmosferze (np. dwutlenku siarki, tlenków azotu).

Główne źródła emisji pyłów zawieszonych do atmosfery obejmują:

– źródła naturalne (zjawiska i procesy naturalne):

• erupcje wulkaniczne;
• pożary lasów, torfowisk i obszarów trawiastych;
• erozja gleby;
• burze piaskowe;
• rozpryski morskie i oceaniczne;
• rozkład materii organicznej;
• pylenie roślin.

– źródła antropogeniczne (związane z działalnością człowieka):

• spalanie drewna i biomasy w gospodarstwach domowych;
• spalanie paliw w elektrowniach, ciepłowniach i zakładach przemysłowych;
• spalanie odpadów przemysłowych i komunalnych;
• spaliny z pojazdów (np. samochodów z silnikami wysokoprężnymi);
• przemysł wydobywczy, metalurgiczny i chemiczny;
• budownictwo (renowacja i rozbiórka budynków mieszkalnych i użytkowych);
• rolnictwo (np. uprawa gleby, stosowanie nawozów mineralnych i pestycydów).

Pyły zawieszone obecne w atmosferze mają istotny wpływ na kształtowanie się lokalnych wzorców pogodowych i globalnych warunków klimatycznych. Wykazują one zdolność do bezpośredniego pochłaniania lub rozpraszania promieniowania słonecznego, przyczyniając się do wzrostu temperatury (efekt ocieplenia) (np. cząstki sadzy) lub spadku temperatury (efekt ochłodzenia) (np. siarczany). Niektóre pyły zawieszone (np. aerozol soli morskiej, pyły mineralne, siarczany) pełnią rolę jąder kondensacji (CCN, ang. cloud condensation nucleus). Cząstki te zapewniają materialną powierzchnię, na której zachodzi kondensacja pary wodnej zawartej w atmosferze, czego skutkiem jest tworzenie się chmur i opadów atmosferycznych.

Źródła emisji pyłów zawieszonych. Autor: Ckunlawanit/shutterstock.com

Właściwości fizyczne pyłów zawieszonych

Pyły zawieszone (aerozole atmosferyczne), w zależności od źródła pochodzenia, cechują się ściśle określonymi właściwościami fizycznymi, takimi jak wielkość i kształt cząstki (opisujące jej wymiary i formę morfologiczną) i gęstość (opisującą stosunek masy cząstki do objętości). Determinują one właściwości optyczne pyłów zawieszonych, czyli zdolność do rozpraszania lub pochłaniania promieni słonecznych, oraz ich właściwości aerodynamiczne, czyli sposób unoszenia i przemieszczania się w atmosferze i prędkość opadania (depozycji). Mają również znaczenie w interakcjach z gazami atmosferycznymi (parą wodną) w procesie tworzenia się chmur, jak również wpływają na przenikanie tych cząstek do wnętrza organizmów żywych.

Pyły zawieszone (PM), w zależności od wielkości (średnicy aerodynamicznej), dzieli się na trzy podstawowe grupy:

• PM10 (pył gruby) – cząstki o średnicy aerodynamicznej do 10 µm, przenikające do górnych dróg oddechowych (jamy nosowej, gardła) i częściowo do oskrzeli, np. pyły mineralne, aerozol soli morskiej, pyłki roślin, zarodniki pleśni, sadza, sole (siarczany), metale ciężkie, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (benzopireny);
• PM2,5 (pył drobny) – cząstki o średnicy aerodynamicznej do 2,5 µm, przenikające do dolnych dróg oddechowych (oskrzeli, oskrzelików pęcherzyków płucnych) i układu krążenia, np. sadza, sole (siarczany, azotany), związki metali ciężkich, pyły mineralne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (benzopireny);
• PM1 (pył ultradrobny) – cząstki o średnicy aerodynamicznej do 1 µm, przenikające do pęcherzyków płucnych, układu krążenia i narządów wewnętrznych (serca, mózgu), np. sadza, lotne związki organiczne (LZO), sole (siarczany, azotany, sole amonowe), bakterie, wirusy, związki metali ciężkich.

Pyły zawieszone charakteryzują się dużą różnorodnością kształtów, która zależy głównie od ich rodzaju, składu chemicznego i warunków środowiskowych (wilgotności powietrza):

• pyły mineralne (np. piaski) – cząstki przyjmujące nieregularne, z reguły niesferyczne kształty, nawet w warunkach wysokiej wilgotności powietrza;
• popioły lotne – cząstki kuliste (sferyczne) lub cząstki o nieregularnych, wydłużonych kształtach (np. płytkowych, włóknistych);
• sadza – cząstki o kulistych kształtach połączone w nieregularne struktury w postaci długich, rozgałęziających się łańcuchów;
• aerozol soli morskiej – cząstki o zaokrąglonych, sferycznych kształtach lub cząstki sześcienne o zaokrąglonych rogach (przy niskiej wilgotności powietrza);
• aerozol siarczanowy – kuliste krople w warunkach dużej wilgotności powietrza lub cząstki o nieregularnych, niesferycznych kształtach przy niedoborze wilgoci.

Cząstki grubych pyłów zawieszonych (np. PM10) o dużej masie i gęstości charakteryzują się dużą prędkością opadania (depozycji), w związku z czym utrzymują się w atmosferze do kilku godzin i opadają na ziemię pod wpływem siły grawitacji w stosunkowo niewielkiej odległości od źródła ich emisji. Pyły drobniejsze (np. PM2,5 i PM1) o małej masie i gęstości utrzymują się w atmosferze znacznie dłużej (do kilku tygodni) i mogą przemieszczać się wraz z masami powietrza na duże odległości; zwykle ulegają depozycji w trakcie opadów atmosferycznych.

Wielkość cząstek pyłów zawieszonych. Autor: designium/shutterstock.com

Skład chemiczny pyłów zawieszonych

Pyły zawieszone są mieszaniną cząstek stałych i kropelek cieczy zawieszonych w powietrzu, składającą się z szeregu nieorganicznych i organicznych związków chemicznych. Ogromne zróżnicowanie tych substancji zależy zarówno od źródła pochodzenia i warunków środowiska (np. wilgotności powietrza), jak również procesów, którym podlegają w atmosferze. Skład chemiczny pyłów zawieszonych ma istotny wpływ na ich właściwości optyczne, determinując charakter ich oddziaływania z promieniowaniem słonecznym, i na właściwości higroskopijne, determinując ich zdolność do pochłaniania pary wodnej w procesie formowania się chmur.

Pyły zawieszone (aerozole atmosferyczne), w zależności od źródła pochodzenia i właściwości chemicznych, można podzielić na cztery główne grupy:

• aerozole soli morskiej – aerozole powstające w wyniku rozbijania wody na pęcherzyki powietrza przez załamujące się fale mórz i oceanów; składające się głównie z chlorku sodu (NaCl) i innych minerałów (np. magnezu, wapnia, potasu, siarki) oraz związków organicznych (np. kwasów tłuszczowych, węglowodanów);
• aerozole pyłowe (pyły mineralne) – aerozole powstające w wyniku unoszenia się drobnych minerałów i rozdrobnionej materii organicznej do atmosfery pod wpływem wiatru; składające się z tlenków, np. tlenku krzemu (SiO₂), glinu (Al₂O₃), żelaza (FeO, Fe₂O₃), wapnia (CaO) i magnezu (MgO); i węglanów, np. węglanu wapnia (CaCO₃);
• aerozole pochodzące z procesów spalania – aerozole powstające w wyniku spalania niecałkowitego paliw stałych, ciekłych lub gazowych; składające się z sadzy, popiołów, nieorganicznych związków węgla (np. tlenku węgla, CO) oraz wielopierścieniowych węglowodorów organicznych (WWA) (np. benzopirenów);
• aerozole siarczanowe i azotanowe – aerozole powstające z gazów prekursorowych (dwutlenku siarki lub tlenków azotu) na drodze reakcji chemicznych i fotochemicznych zachodzących w atmosferze; składające się z wodorosiarczanu (VI) amonu (NH₄HSO₄), siarczanu (VI) amonu (NH₄)₂SO₄ lub azotanu amonu NH₄NO₃.

Cząstki pyłów zawieszonych często pełnią rolę nośników dla innych substancji chemicznych, takich jak m.in. związki metali ciężkich (np. ołowiu, miedzi, kadmu, chromu, arsenu, rtęci),  dioksyn (np. polichlorowanych dibenzo-p-dioksyn, PCDDs) oraz związków dioksynopodobnych (np. polichlorowanych dibenzofuranów, PCDFs). Na ich powierzchni mogą również osiadać różne mikroorganizmy (np. bakterie, wirusy), pyłki roślinne i zarodniki grzybów (np. pleśni).

Smog składa się głównie z pyłów zawieszonych (PM10, PM 2,5) zawierających szkodliwe związki metali ciężkich i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Fot. Rawpixel/envato

Wpływ na zdrowie człowieka

Ekspozycja na wysokie stężenia pyłów zawieszonych w powietrzu (PM) wiąże się z szeregiem różnych problemów zdrowotnych, których rodzaj i przebieg zależą w dużej mierze od składu chemicznego i średnicy ich cząstek. Pyły grube (PM10), gromadzące się w górnych drogach oddechowych, mogą przyczyniać się do podrażnienia błony śluzowej (np. uczucie drapania, kaszel), trudności z oddychaniem, zwiększenia ryzyka infekcji lub nasilenia objawów chorób alergicznych (np. astmy). Pyły drobniejsze (PM2,5 i PM1), przenikające do pęcherzyków płucnych i krwiobiegu, mogą powodować choroby układu oddechowego (np. infekcje oskrzeli i płuc, przewlekłą obturacyjną chorobę płuc) oraz schorzenia układu sercowo-naczyniowego (np. nadciśnienie tętnicze, miażdżycę, arytmię, udary, zawały mięśnia sercowego). Pyły zawieszone o wysokiej zawartości substancji toksycznych (np. metali ciężkich, dioksyn,  wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych) mogą zwiększać ryzyko rozwoju nowotworów (np. raka płuc) oraz chorób neurodegeneracyjnych (np. choroby Alzheimera).

Wpływ pyłów zawieszonych na zdrowie człowieka. Autor: Monkik/shutterstock.com

Bibliografia:

1. Air Composition and Chemistry, Peter Brimblecombe, P. G. C. Campbell, R. M. Harrison, Cambridge University Press, 1995.
2. Chemistry of Atmospheres (3rd Ed.), Richard P. Wayne, Oxford University Press 2000.
3. Ekologia. Słownik encyklopedyczny, Grażyna Łabno, Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006
4. Chemia środowiska, Gary W. VanLoon, Stephen J. Duffy, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007.
5. Meteorologia i klimatologia, Krzysztof Kożuchowski, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019.
6. Nowoczesne kompendium chemii, K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.