Az ultrafinom aeroszol mérése és nukleációs forrásának jelentősége Budapesten

Átírás

1 Tudományos Diákköri Dolgozat VARGA VERONIKA Az ultrafinom aeroszol mérése és nukleációs forrásának jelentősége Budapesten Témavezető: Dr. Salma Imre egyetemi tanár ELTE Kémiai Intézet Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Budapest, 2016

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés és célkitűzések Irodalmi háttér A légköri aeroszol és keletkezése Egészségügyi hatások Éghajlati hatások Módszerek Kondenzációs részecskeszámlálók Differenciális mozgékonyságon alapuló részecskeméret szeparátor A mérés időszaka és helyszíne Adatkiértékelés Eredmények és megvitatásuk Kondenzációs részecskeszámlálók összehasonlítása A diffúziós veszteség korrekciója a DMPS rendszerben A nukleációs erősségi tényező átlagos napi változása A nukleációs erősségi tényező átlagos évszakos változása Az ultrafinom és regionális aeroszol koncentrációjának átlagos napi változása Összefoglalás Felhasznált irodalom Saját prezentáció Köszönetnyilvánítás

3 1. Bevezetés és célkitűzések Az ENSZ kapcsolódó jelentése szerint 2014-ben a világ népességének 54%-a élt városokban, ez 2050-re globálisan elérheti a 66%-ot is, míg Európa és Észak-Amerika iparilag fejlett országaiban az emberek kb. 80%-a már most is városokban él (UN World Urbanization Prospects, 2014). Az ultrafinom aeroszol (UF) részecskék (d < 100 nm) nagy koncentrációban vannak jelen városi környezetekben, járulékuk az összes aeroszol részecskék számához elérheti a 70 90%-ot is (Borsós et al., 2012). A városi népsűrűség és a légszennyezők koncentrációja között kapcsolat fedezhető fel. A hat kulcsfontosságú légszennyező közül kiemelkedő szerepe van az aeroszol részecskéknek. Egy friss tanulmányban azt vizsgálták, milyen hatással van a kültéri légszennyezettség (leginkább PM2,5 formájában) a korai halálozásokra (Lelieveld et al., 2015). Eredményeik szerint kb. 3,3 millió haláleset történt a légszennyezettség miatt, ennek döntő része Ázsiában. A HIV és a malária összesen nem okozza ennyi ember halálát. Amennyiben rövid időn belül nem teszünk óvintézkedéseket, ez a szám 2050-re megduplázódhat. Amellett, hogy a légszennyezettség komoly egészségügyi károkat okoz, már oly mértékben van jelen, hogy súlyos pénzösszegeket költenek ezzel kapcsolatos kiadásokra: kb. ezermilliárd(!) dollárt évente ban a bel- és kültéri levegőszennyezettség miatt felhasznált pénz Kína GDP-jének kb. 10%-át tette ki (The World Bank, 2016). A nukleációt (újrészecske-képződést) tiszta levegőkörnyezetekben azonosították először (Weber et al., 1995; Mäkelä et al. 1997), majd bizonyították globális jelentőségét (Kulmala et al., 2004; Spracklen et al., 2006). Később derült ki, hogy szennyezett levegőben, pl. városokban is jelentős gyakorisággal előfordul (Salma et al., 2011a; Dall Osto et al., 2013; Xiao et al., 2015), valamint potenciálisan befolyásolja a városlakók egészségét (Salma et al., 2015). Felmerül tehát annak a kérdése, hogy a légköri nukleáció által létrehozott ultrafinom aeroszol részecskéknek milyen jelentőségük van városi környezetekben, ahol a közvetlen emissziós források (pl. közúti közlekedés, háztartási fűtés, tüzelés) markánsan jelen vannak. Ennek becslése hosszú idejű adatsorok célirányos kiértékelésével lehetséges. Ebbe a kutatómunkába kapcsolódtam be 2015 nyarán. Először azt vizsgáltuk, milyen mértékű diffúziós veszteséget szenvednek az ultrafinom aeroszol részecskék az általunk alkalmazott mérőműszerben ( fejezet). Ennek során személyes feladatom volt az összehasonlító mérések kísérleti részében való részvétel, illetve az összehasonlító mérések adatainak teljes körű feldolgozása. Dolgozatom későbbi részében ( fejezet) a nukleációs forrás jelentőségének meghatározásáról számolok be. Személyes feladatom volt a 3

4 nukleációs erősségi tényező (NSF, Nucleation Strength Factor) meghatározása, kiértékelése és értelmezése. Kutatómunkám részét képezi a BpART platformon ( Dr. Salma Imre vezetésével végzett, városi légköri aeroszol kutatásoknak. 4

5 2. Irodalmi háttér 2.1. A légköri aeroszol és keletkezése Légköri aeroszolnak nevezzük a levegőben finoman eloszlatott szilárd és/vagy cseppfolyós részecskék kolloid diszperz rendszerét (Salma, 2012). A szabálytalan részecskék jellemzésének megkönnyítésére vezetjük be az ekvivalens átmérő fogalmát. Az ekvivalens átmérőnek sok fajtája létezik. Legfontosabbak és leginkább használatosak az aerodinamikai átmérő (da) és az elektromos mozgékonysági átmérő (dp). Az aerodinamikai átmérőn olyan homogén, egységnyi a vízzel azonos sűrűségű gömb alakú részecske átmérőjét értjük, amelynek aerodinamikai viselkedése a levegőben megegyezik a szóban forgó részecske viselkedésével. Az elektromos mozgékonysági átmérő definíció szerint azon homogén gömb átmérője, amelynek migrációs sebessége állandó erősségű elektromos térben megegyezik a vizsgált részecskéével. Az elektromos mozgékonysági átmérő az alábbi képlettel adható meg (Hinds, 1999): d p = nec c 3πηZ, (1) ahol n a részecske töltése, e az elemi elektromos töltés, Cc a Cunningham korrekciós tényező, η a közeg dinamikus viszkozitása, Z pedig az elektromos mozgékonyság. Az aerodinamikai és az elektromos mozgékonysági átmérők könnyen átszámolhatók egymásba a részecskék sűrűségének ismeretében. Az aeroszol egyik legfontosabb tulajdonsága a méreteloszlás. A méreteloszlás számos további fizikai és kémiai tulajdonságot befolyásol. A részecskék lineáris mérete mintegy öt nagyságrendet fog át, néhány nanométertől egészen 100 µm nagyságig. Az alsó határ bizonytalansága abból ered, hogy nincs diszkrét átmenet a molekulák, klaszterek és az aeroszol részecskék között, míg a felső határ abból következik, hogy ennél nagyobb részecskéknél a szedimentáció már nagyon jelentős, így légköri tartózkodási idejük és hatásaik erősen korlátozottak (Hinds, 1999; Seinfeld és Pandis, 2006). Az aeroszol rendszert mérete szerint többféleképpen csoportosíthatjuk. Gyakran használják a durva (d > 2,5 µm), finom (d < 2,5 µm) és ultrafinom (d < 100 nm) frakció szerinti jellemzést, amely arra utal, hogy a részecskék összetételükben, keletkezési módjukban, tartózkodási idejükben és légköri folyamatokban betöltött szerepüket tekintve jelentősen különböznek egymástól. Az elektromos mozgékonysági átmérő használata különösen az ultrafinom részecskék vizsgálatánál fontos. Ezen részecskék olyan kisméretűek, 5

6 hogy átjutnak a közönséges szűrőkön, illetve a kaszkád impaktor fokozatain, aerodinamikai elveken alapuló mintavevőkkel tehát csak nagy nehézséggel mérhetők. Ezért van szükség az elektrosztatikai elv alkalmazására, amelyet a 3.2. fejezetben fejtek ki bővebben. A frakciók szerinti jellemzés mellett a méreteloszlás is használatos. A méreteloszlás (az aeroszol részecskék valamely tulajdonságának változása az átmérő függvényében) lehetővé teszi a módusok szerinti csoportosítást, így megkülönböztetünk durva (d > 1 µm), akkumulációs (d 0,1 1 µm), és Aitken- (d 0,01 0,1 µm) módusokat. Az említett három módus mellett ideiglenesen megjelenhet a nukleációs módus (d <0,01 μm). Az 1. ábrán mutatom be a legfontosabb méreteloszlásokat, amelyek a részecskeszám, felület és tömeg méreteloszlások. Jól látható, hogy az Aitken-módusba tartozó kisebb részecskék nagy számkoncentrációt reprezentálnak, ugyanakkor tömegük elhanyagolható, míg a durva módusba tartozó részecskék adják az aeroszol tömegének jelentős részét, számuk azonban nagyon kevés. Az akkumulációs módusba tartozó részecskék rendelkeznek a legnagyobb felülettel, amely tulajdonságnak fontos egészségügyi következményei vannak. 1. ábra. Légköri aeroszol részecskék számának, felületének és tömegének méret szerinti eloszlása (Salma, 2012). 6

7 A különböző módusokba tartozó részecskék kémiai összetétele eltérő, mert forrásaik is mások (Whitby, 1978) (2. ábra). A durva módusba tartozó részecskék általában közvetlenül kerülnek a levegőbe mechanikai folyamatok során. A szél erodálja a felszín kőzeteit és a talajt, a port felkavarja és szuszpendálja. Ide tartozik még a vulkanikus por, pollenek és baktériumok is. A tengeri permet, amely a felszíni buborékok szétpattanásával keletkezik, jelentős tömeget képvisel (Raes et al., 2000). A finom részecskék nem mechanikai úton, hanem kémiai reakciókban keletkeznek prekurzor gázokból fázisváltás következtében. A nukleáció elsőrendű fázisváltás, amely során légnemű anyagokból (pl. SO2, VOC) fotokémiai oxidációt követően kisebb gőznyomású, kondenzációra képes gőzök keletkeznek (pl. H2SO4), amelyek a légkörben már jelenlévő más anyagokkal (pl. H2O, NH3, aminok) új, szilárd/folyékony fázist azaz aeroszol rendszert eredményeznek. (Kulmala, 2003; Salma et al., 2012). A nukleációt követően a részecskék tekintettel a meglévő túltelítettségre tovább növekedhetnek kondenzációval vagy koagulációval legfeljebb az akkumulációs mérettartományig. 2. ábra. A légköri aeroszol részecskék fő keletkezési folyamatai (Salma, 2012). 7

8 Ha a gázmolekulák ütközésével kialakuló klaszter egy kritikus méretet elér, akkor spontán növekedésnek indul (Hinds, 1999). A folyamat csak túltelítettség esetén lehetséges. A növekedés mértéke függ a túltelítettség mértékétől, a nukleálódó molekuláktól és attól, hogy a részecske mérete (d) milyen viszonyban van a levegő molekuláinak közepes szabad úthosszával (λ) (Vehkamäki és Riipinen, 2012). A növekedés kezdeti szakaszában d < λ, a sebességet a részecskék és a gőzmolekulák között fennálló véletlenszerű ütközések határozzák meg. A későbbi szakaszban, amikor d > λ, a folyamat lelassul, hajtóereje a felszíni diffúzió lesz. A kondenzációval keletkező, kicsi részecskék a levegőben véletlenszerű Brownmozgásuknak köszönhetően ütközhetnek más részecskékkel, és egyesülhetnek velük. Ezt a folyamatot nevezzük termikus koagulációnak. A termikus jelző arra utal, hogy magasabb hőmérsékleten a részecskék nagyobb kinetikus energiával rendelkeznek (Gelencsér et al., 2012). A koaguláció sebessége akkor a legnagyobb, ha az ütköző részecskék között nagy méretkülönbség van (Dal Maso, 2006): a nagyobb részecske biztosítja a felületet, a kisebb pedig a nagy diffúziós állandót. Koaguláció során a részecskék száma csökken, méretük viszont nő, így végül elérnek egy bizonyos mérettartományt, melyben felhalmozódnak ez hozza létre az akkumulációs módust. Új aeroszol részecskék keletkezésére több folyamat és a lokális meteorológiai helyzet is hatással van. A nukleációnak kedvező feltétel például az elővegyületek nagy koncentrációja, az erős napsugárzás, a kis felhőborítottság és megfelelő relatív páratartalom (RH < 60%), illetve ha kicsi a rendelkezésre álló felület a versengő kondenzációs nyelő számára (Boy és Kulmala, 2002a,b; Hamed et al., 2011; Baranizadeh et al., 2014). Az újrészecske-képződést eleinte tiszta és erdős környezetekben figyelték meg, azt gondolták, hogy a szennyezett, városi levegőben kevés az esély nukleációra. Később bebizonyosodott, hogy a folyamatot a források és a nyelők aránya határozza meg, így nagy nyelő értéknél (pl. szennyezett levegő) is lehetséges nukleáció, ha a források erőssége még nagyobb. Újrészecske-képződést regisztráltak már a szabad troposzférában, a keveredési határrétegben, valamint felszíni mérések során például a szubarktikus Lappföldön, az északi erdős Hyytiäläban, Helsinki külvárosában, Atlanta, Pittsburgh és St. Louis városokban, Németország ipari régióiban, valamint Európa tengerparti részein (Kulmala et al., 2004 és hivatkozásai). A nukleáció évszakos változatossága nem minden esetben egyértelmű. Sok tanulmány regisztrált gyakori újrészecske-képződést tavasszal, amely kapcsolatba hozható a kedvező napsugárzással és a növények biológiai aktivitásával (Manninen et al., 2010 és hivatkozásai). Ugyanakkor a helyszínek geológiai elhelyezkedése és a lokális meteorológiai helyzet teljesen különböző megfigyeléseket szolgáltathat. Sok esetben tavasszal-nyáron alakul ki maximum és 8

9 télen minimum (pl. Hyytiälä, K-puszta, Mace Head). Fordított tendencia is lehetséges (Finokalia Görögország). Számos helyszínen egyáltalán nem sikerült évszakos változatosságot megfigyelni (pl. Pallas, Hohenpeissenberg, San Pierto Capofiume) (Manninen et al., 2010). Budapesten 5 éves adatsor alapján úgy tűnik, a tavaszi-őszi lokális maximumok dominálnak. A 3. ábrán a évben megfigyelt nukleációs gyakoriságot tüntetem fel. A 4. ábrán egy budapesti nukleációs eseményt mutatok be. Az ilyen típusú kontúrgörbét alakja után banángörbének nevezték el. Az abszcisszán az idő, az ordinátán a részecskék átmérője található, a részecskék normalizált koncentrációját pedig színkód jelöli Nukleációs gyakoriság (%) Dec Jan Febr Márc Ápr Máj Jún Júl Aug Szept Okt Nov Hónap 3. ábra. Havi nukleációs gyakoriság eloszlása a belvárosban az általam vizsgált időszakban ( ). 4. ábra. Budapesti banángörbe április 21-én. Sötétpiros színnel láthatók az újonnan képződött részecskék. 9

10 A nukleáción kívül más módokon is keletkezhetnek finom részecskék. Elsődleges, finom aeroszol részecskék keletkeznek magas hőmérsékletű folyamatokban egy emissziós forráson (pl. erőmű, gépkocsi) belül, közepesen illékony anyagok kondenzációjával. Ezek tipikus példája a korom aeroszol vagy a kátránygömb (Pósfai et al., 2004; Pósfai és Buseck, 2010). Ebben az esetben a részecskék mérete az Aitken-tartományba esik. Háztartási tüzeléssel is keletkeznek finom részecskék. Nagyon fontos különbség, hogy az elsődleges részecskék a forrásban történő kondenzációs folyamatok miatt általában nagyobbak a nukleációs részecskéknél. Az újonnan formálódó, nukleációs részecskék mérete mintegy 1,5 2 nm, míg a közlekedésből származó elsődleges részecskék mérete nm körüli, a háztartási fűtésből származóké nm körüli (Shi és Harrison, 1999; Park et al., 2008). Másodlagos aeroszol részecskék nem közvetlenül, hanem a légkörben lejátszódó kémiai folyamatok által jönnek létre. Az így kialakult részecskék méretük alapján kerülhetnek a nukleációs, Aitken- vagy akkumulációs módusba is. Míg a durva módusba tartozó részecskék száraz és nedves ülepedéssel egyaránt elhagyhatják a légkört, addig a finom frakcióba tartozó részecskék főként turbulens diffúzióval és nedves ülepedéssel távoznak a légkörből Egészségügyi hatások Az emberi szervezet leginkább a tüdőn keresztül érintkezik a környezettel; a légzőrendszer felülete mintegy 140 m 2 (Mühlfeld et al., 2008), míg az összes bőrfelület kb. 1,5 2 m 2 (Bouslimani et al., 2015). Sem az ultrafinom, sem a nagyobb méretű részecskéknél nem tisztázott egyértelműen, milyen fizikai és kémiai tulajdonságok okozzák kedvezőtlen egészségügyi hatásaikat (Pöschl, 2005). Ismert azonban a különböző méretű részecskék tüdőbeli kiülepedése (5. ábra), amely veszélyességüket is meghatározza. A 10 µm aerodinamikai átmérőnél nagyobb részecskék nem kerülnek a tüdőbe, az orrban vagy a szájban már kiülepednek, elsősorban impakcióval. A PM10 méretfrakciót azonban már nem tudják hatékonyan kiszűrni a felső légutak. A felső légutakban és a bronchiális szakaszban a légzőrendszer felületét nyák (mucus) borítja, amelyet csillószőrök hajtanak a garat felé, és amelynek fő feladata ezáltal a kiülepedett részecskék mozgatása (Balásházy, 2010). A tisztulási mechanizmus ezekben a szakaszokban körülbelül órákat vesz igénybe. Az acináris régió nem tartalmaz nyákot, mert itt történik a gázcsere a tüdő léghólyagjain keresztül. Az itt fellépő tisztulási mechanizmusok lassabbak, de sokfélék lehetnek. A részecskék egyrészt feloldódhatnak, másrészt feljuthatnak a bronchusokba, ahonnan a csillószőrök a garat felé hajtják őket, ezeket a részecskéket később általában lenyeljük. A léghólyagok felszínén lévő 10

11 falósejtek bekebelezhetik a részecskéket, amelyek aztán a nyirok- és véráramba kerülhetnek (Balásházy, 2010). Az oldható részecskék kiülepedésük után elvesztik eredeti alakjukat és fizikai tulajdonságaikat. Az általuk kiváltott biológiai választ a részecskék tömege és kémiai összetétele határozza meg. Az oldhatatlan részecskék azonban depozíció után is megtartják eredeti alakjukat és fizikai tulajdonságaikat, esetükben felületi tulajdonságaik és részecskeszámuk határozza meg a biológiai választ. Oldhatatlan részecskék tisztulása a tüdőből hónapokig, évekig is eltarthat. Az utóbbi években sikerült kimutatni, hogy az ultrafinom részecskék többlet egészségügyi hatással rendelkeznek a hasonló kémiai összetételű finom és durva részecskékhez képest (HEI Review Panel, 2013). Ennek oka a kis méret és nagy fajlagos felület, így nagyobb biológiai aktivitás (Braakhuis et al., 2014). Az ultrafinom részecskék nagy részecskeszám-koncentrációja miatt a falósejtek nem tudják kellőképpen bekebelezni őket: nagymértékű pusztulásuk megbetegedésekhez, tartós, atípusos gyulladásokhoz, a szöveti védelem gyengüléséhez, súlyos esetben rákhoz vezet. 5. ábra. A belélegzett részecskék depozíciója a légzőrendszer fő régióiban és a teljes rendszerben felnőtt, ülő embernél orrlégzés esetén (Balásházy, 2010). Míg a vízoldható részecskék közvetlenül bekerülnek a szervezetbe és a test anyagaival különböző kölcsönhatásba lépnek (fehérjékkel komplexeket alkotnak, így befolyásolják azok tulajdonságait, a véralvadékonyság megváltozását okozzák), addig az oldhatatlan részecskék felülete aktív szubsztrátként funkcionálhat, kölcsönhatásba lépve a sejtekkel (Limbach et al., 2007). Az ultrafinom aeroszol részecskék a finom és durva méretű részecskékhez képest fokozott mértékben hoznak létre szabad gyököket (pl. OH), ami oxidatív stressz kialakulásához vezet (Schulz et al., 2005). Legtöbbször átmenetifémekből és szerves 11

12 anyagokból, pl. PAH-okból, másodlagos szerves aeroszol részecskékből (Secondary Organic Aerosol, SOA) képződnek szabad gyökök (Pöschl, 2005; Tong et al., 2016). Ezen gyökök képesek a fehérjéket oxidálni, a lipideket peroxidálni, a DNS szerkezetét megváltoztatni (Salma et al., 2012). Az ultrafinom részecskék kedvezőtlen hatása nem csak a tüdőben, hanem azon kívül is érvényesülhet (Oberdörster et al., 2005). Ezen részecskék különös tekintettel a hidrofób/lipofil entitásokra a szaglóhámon keresztül, esetleg a vér-agy gáton keresztül az agyba is eljuthatnak (Krol et al., 2013). A nanorészecskék (d<10 nm) transzlokáció során a tüdő hámján átjutva képesek más szerveknél (máj, központi idegrendszer) kifejteni hatásukat. Egy friss tanulmány készítői magnetitrészecskéket találtak agyszövetekben; egy gramm agyszövet milliós nagyságrendben tartalmazta a részecskéket (Maher et al., 2016). Magnetit keletkezhet ugyan az agyban biológiai folyamatok révén is, ekkor azonban a részecskék mérete kicsi, alakjuk kristályos. Mintegy százszor több eltérő részecskét találtak, amelyek gömb alakúak voltak az ilyen részecskék valamilyen tüzelőberendezésből származhattak, pl. erőművekből, ipari létesítményekből és autók motorjából. A magnetit oxidatív módon képes a sejtet károsítani, szabad gyököket hozva létre. Az Alzheimer kór egyik fő jellemzője épp az oxidatív sejtkárosodás, így a tanulmány szerzői további vizsgálatokat szorgalmaznak, hogy sikerül-e közvetlen kapcsolatot kimutatni a légszennyezettség és a kór között Éghajlati hatások A légköri aeroszol részecskék közvetlenül hatnak a Föld energiamérlegére. Képesek szórni (pl. szulfát részecske) vagy elnyelni (pl. korom részecske) a Nap elektromágneses sugárzását. A fény szórása a felszínre hűtő hatással van, míg a fény elnyelése fűti az érintett légrészt. A két folyamat eredőjeként jön létre éghajlatot befolyásoló hatásuk, amit az aeroszol éghajlati kényszerének nevezünk. A részecskék közvetett úton is hatással vannak az éghajlatra, leginkább felhőkondenzációs magvakon (Cloud Condensation Nuclei, CCN) keresztül (Andreae és Rosenfeld, 2008; Kerminen et al., 2012; Carslaw et al., 2013). Kondenzációs magvakként főleg az nm átmérőnél nagyobb részecskék hatásosak (Pierce és Adams, 2007), melyek mintegy fele légköri nukleációból származik (Merikanto et al., 2009). Felhők képződésekor a feláramló levegő lehűl, miközben vízgőzre nézve túltelítetté válik. Tiszta vízgőzből azonban csak több száz százalékos túltelítettségnél alakulna ki felhőcsepp (homogén nukleációval), ám ilyen körülmények a légkörben még a felhők belsejében sem állnak fenn. Ha CCN-ek is vannak jelen, akkor már kismértékű túltelítettség is 12

13 elég a felhőcseppek képződéséhez (heterogén nukleáció). Globálisan a Föld légkörében lényegében állandónak tekinthető a vízgőz mennyisége, viszont az aeroszol részecskeszámkoncentrációja regionálisan változhat. Ha kevesebb részecske van a légkörben, akkor általában kevesebb számú, de nagyobb felhőcsepp keletkezik, amelyek kevésbé szórják vissza a napfényt. Szennyezettebb levegőben azonos mennyiségű vízpára több részecskére kondenzálódik, így több, és kisebb méretű felhőcsepp keletkezik, amelyek összfelülete nagyobb, így nagyobb mértékben szórják a napfényt. Az így kialakuló felhők fehérebbek, nagyobb az albedójuk, és légköri tartózkodási idejük is megnő. Az aeroszol részecskék a csapadékképződésben is szerepet játszanak (Rosenfeld et al., 2008). Nagyobb CCN koncentráció esetén előfordul, hogy a felhőcseppek nem tudnak elég nagyra nőni ahhoz, hogy csapadékként távozzanak a légkörből (Ramanathan et al., 2001). A 6. ábrán a különböző üvegházhatású gázok és az aeroszol globálisan átlagolt éghajlati (sugárzási) kényszerét mutatom be 2005-re számítva az évhez (ipari forradalom előtt) képest (IPCC Report, 2007). Jól látható, hogy az ipari tevékenységgel légkörbe kerülő üvegházhatású gázok fűtő hatása megfelelően ismert, és kis hibával modellezhető. Ezzel szemben az aeroszol közvetlen és közvetett effektusából eredő hűtő hatást még napjainkban is csak nagy bizonytalansággal és hibával lehet megbecsülni. Ennek részben az az oka, hogy a különböző modellekkel számolt adatok nagymértékben eltérnek egymástól, ami a bemenő adatok bizonytalanságával és hiányosságaival lehet kapcsolatos. Mindezek alapján az éghajlatváltozás becslése szempontjából az aeroszollal kapcsolatos kutatásokat kiemelt figyelem övezi. Az aeroszol éghajlati hatásaival kapcsolatban gyakran elfelejtik megemlíteni a következő jelenséget. Az aeroszol a légkör hőmérsékleti profiljának megváltozása által például a korom aeroszol a levegőbe kerülve fűtő hatást okoz, így csökkenti a troposzférában a hűlést kihat a vízgőz és a légszennyező nyomanyagok keveredésére, körforgásukra (ezért azok egy adott légrétegben feldúsulhatnak). A légköri összetevők biogeokémiai körforgása is gátolt lehet a többi szféra között (Papp, 2010). 13

14 6. ábra. Globális éghajlati (sugárzási) kényszer és bizonytalansági tartományai 2005-ben üvegházhatású gázokra és aeroszolra, valamint ezek tipikus térbeli kiterjedése, és a tudományos megértés szintje (TMSZ). A piros szín fűtő hatást (pozitív éghajlati kényszert), míg a kék szín hűtő hatást (negatív éghajlati kényszert) jelöl (IPCC, 2007). 14

15 3. Módszerek Munkám során kondenzációs részecskeszámlálókkal (Condensation Particle Counter, CPC), és differenciális mozgékonyságon alapuló részecskeméret szeparátorral (Differential Mobility Particle Sizer, DMPS) dolgoztam. A részecskéket tartalmazó levegő a mintavétel során 6 mm átmérőjű és 1,5 m hosszúságú rézcsövön keresztül áramlott a mérőrendszerekhez. A csöveket védelemmel láttuk el eső és rovarok ellen (7. ábra). A két mintavételi pont közötti távolság kb. 1 méter volt. A mérési adatokat Excel fájlban értékeltem ki (3.4. fejezet). 7. ábra. A DMPS és a CPC-k mintavételi csövei a BpART állomáson. A háttérben lévő rézcső tartozott a CPC2-höz, míg a jobb oldali a CPC1-hez. Az előtérben látható mintavételi cső a DMPS része volt Kondenzációs részecskeszámlálók A mérésekre CPC3775 típusú (TSI, USA) kondenzációs részecskeszámlálót használtunk. A műszer működési elve a fényszóráson alapuló részecskeszámlálás. Az érdeklődéssel kísért ultrafinom (d < 100 nm) mérettartományban már nem hatékony a fényszórás, hiszen a részecskék kisebbek az alkalmazott lézerfény hullámhosszánál. A detektáláshoz szükséges ugyanis, hogy a részecskék átmérője összemérhető legyen a sugárforrás hullámhosszával (d λ). Ennek érdekében a részecskéket egy munkafolyadék 15

16 gőzének kondenzációjával optikailag detektálható mérettartományba növesztjük. Az aeroszolt tartalmazó levegőáram egy fűtött (39 C hőmérsékletű), n-butanol gőzt tartalmazó egységen halad keresztül, miközben telítetté válik. A kilépő levegő a hűtött (14 C hőmérsékletű) kondenzerbe kerül, így túltelítetté válik, ennek következtében a részecskék kondenzációval megnőnek. A részecskék ezután egy fúvókán keresztül jutnak a számlálóba, ahol detektálásuk lézerfény segítségével történik (az optikai egységek hőmérséklete 40 C, ez a műszer legmelegebb része, így akadályozzuk meg, hogy gőz kondenzálódjon a lencsékre). Az általunk alkalmazott CPC széles koncentrációtartományban képes működni: kisebb koncentrációknál az egyes részecskékről szóródott lézerfényt detektálja, míg nagyobb koncentrációknál ( cm 3 ) a műszer holtideje (υ) megnő, ezért ekkor fotométer üzemmódban működik. A holtidő azt az időtartamot fejezi ki, amíg a számláló épp egy vagy több részecskét detektál, és a többi érzékelésére addig képtelen (TSI CPC3775 manual). Az aeroszolt tartalmazó levegőáram egy belső pumpa segítségével kerül a CPC-be. High-flow módban az áramlási sebesség értéke 1,5 L min 1 (csökkenő válaszidő, kisebb részecskeveszteség a mintavevő csövekben), low-flow módban pedig 0,3 L min 1. Előbbi esetben 1,2 L min 1 sebességű áramot eltérítenek felhasználás nélkül (bypass flow), második esetben 1,2 L min 1 sebességű tiszta levegő áramlik még a rendszerben (make-up air). Mindkét üzemmódban közös, hogy csak 0,3 L min 1 aeroszoláram halad át a n-butanolt tartalmazó kamrán, a kondenzeren és az optikai részeken. A mérések során 5 másodpercenkénti adatgyűjtést választottunk. Több lehetőség közül azért ezt az időintervallumot állítottuk be, mert a DMPS rendszerben a CPC éppen ennyi idő alatt végzi el a mérést egyetlen csatornában. Az első CPC (CPC1) a BpART tulajdona, míg a második műszert (CPC2) a Bécsi Egyetem bocsátotta rendelkezésünkre (8. ábra). 16

17 8. ábra. A két CPC (bal oldalt CPC1, jobb oldalt CPC2) elhelyezkedése működés közben Differenciális mozgékonyságon alapuló részecskeméret szeparátor A DMPS rendszer főbb részei egy neutralizáló/bipoláris töltő, egy differenciális mozgékonysági analizátor (Differential Mobility Analyzer, DMA), valamint egy CPC. A DMPS az aeroszol részecskék elektromos tulajdonságát használja mérésükre. Az aeroszoláram először egy szelektíven permeábilis Nafion membrán szárítón halad keresztül, amely a relatív páratartalmat csökkenti (RH < 30%). Ez azt eredményezi, hogy a részecskéket száraz állapotban mérjük, és a higroszkopikus növekedés hatását kizárjuk. Az aeroszol részecskék méretüktől függően meghatározott százalékos arányban fordulnak elő semleges, pozitívan, illetve negatívan töltött formában. Ezt nevezzük az elektromos töltés egyensúlyi (Boltzmann-) eloszlásának. A legkisebb részecskék jórészt semlegesek (a 10 nm méretű részecskék 99,3%-a semleges), a méret növekedésével azonban a töltött formák kezdenek dominálni (a 100 nm átmérőjű részecskéknek például, amelyekből nagyon sok van, már csak 42,6%-a semleges) (Hinds, 1999). A pontos méréshez elengedhetetlenül fontos, hogy egyensúlyi töltéseloszlást hozzunk létre. Ennek kialakításáért a neutralizáló/bipoláris töltő a felelős, amely esetünkben béta-sugárzó radionuklid ( 63 Ni). Ez a levegő molekuláit ionizálja, amelyek az aeroszol részecskékkel ütközve létrehozzák azok egyensúlyi töltéseloszlását. Ezután az aeroszoláram a DMA-ba kerül. A DMA tartalmaz egy belső és egy külső, hengeres elektródot egymással koaxiális elrendezésben, amelyekre nagyfeszültséget kapcsolunk (9. ábra). Az elektromos térerősség változtatásával a részecskék szelektálása lehetséges elektromos mozgékonyságuk alapján. Az aeroszoláram a külső elektród palástjánál lép be a 17

18 rendszerbe, míg a belső elektród körül nagytisztaságú (részecskementes), ún. pajzslevegőt áramoltatunk. A részecskék, amelyek megfelelő elektromos mobilitási értékkel rendelkeznek egy adott alkalmazott nagyfeszültségnél és levegő áramlási sebességnél, továbbhaladhatnak a detektor felé a kilépőnyíláson keresztül. Az így különválasztott aeroszolt már monodiszperz rendszernek tekinthetjük. A részecskék számának meghatározását CPC-vel végezzük. Az alkalmazott mérőrendszer egy áramlásváltó (flow-switching) DMPS, amely 9. ábra. A DMA vázlatos felépítése. 30 csatornában, kb. 8 perces időfelbontással képes méreteloszlásokat meghatározni a nm átmérő tartományban. A mérési ciklus kezdetén a DMPS high-flow módban működik. Ilyenkor a nm átmérőjű részecskék mérése történik 20 csatornában, a feszültség V között történő lépésenkénti változtatásával (aeroszoláram (Qa1) = 2 L min 1, pajzslevegő (Qsh1) = 20 L min 1 ). A további 10 csatornában a DMPS low-flow módban működik (Qa2 = 0,3 L min 1, Qsh2 = 3 L min 1 ). Ekkor a nm átmérőjű részecskék mérése történik, és az elektromos feszültség értékét V között változtatjuk, lépésenként A mérés időszaka és helyszíne A két CPC működésének összehasonlítása :54 és :05 között zajlott, míg a CPC2 és a DMPS (amelynek részeként üzemelt a CPC1) méréseit :34 és :52 között hasonlítottuk össze a BpART állomáson (Salma et al., 2016). A nukleáció jelentőségének becslését hosszabb, kb. 1 éves idősoron végeztem és között mért adatokkal. A BpART platform mobil, jelenleg az ELTE Lágymányosi Kampuszának Északi tömbjében, a második emeleti, északi teraszon található: az utcaszinttől mintegy 11 m magasságra, a Dunától pedig kb. 85 m távolságra helyezkedik el. A létesítmény alapját egy hőszigetelt fém konténer képezi, amelynek szélessége 2,00 m, hossza 2,80 m, magassága pedig 2,10 m. A számos függőlegesen és néhány vízszintesen elhelyezett, vízhatlan 18

19 mintavevő nyíláson keresztül történik a mintavevő csövek bevezetése. A mintavevők mellett egy meteorológiai állomás is helyet kapott a platform tetején, amely 10 percenként rögzít adatokat. A szivattyúk által beszívott levegő zárt csöveken keresztül távozik az uralkodó széliránynak megfelelő térrészbe, amelynek távolsága legalább 3 m a mintavétel helyétől. A platform belső terében helyet kapott fűtőtest és klíma, melyekkel biztosítható a kívánt hőmérséklet ±3 C ingadozáson belül. A platform jelenlegi elhelyezkedéséből adódóan a nyílt, belvárosi térség levegőjét reprezentálja. Az összehasonlító mérés ideje alatt jellemző meteorológiai adatok napi átlagértékét az 1. táblázatban ismertetem. Csapadék egyáltalán nem esett a releváns napokon. Hosszabb, egy éves időszak alatt a platform belsejében átlagosan a hőmérséklet 18,4±1,7 C, a páratartalom 41±10% volt, a platformon kívül pedig 14,3±8,4 C és 77±17% (Salma et al., 2016). 1. táblázat. A BpART állomáson mért napi átlagos levegőhőmérséklet, relatív nedvesség és szélsebesség értékek és között. Dátum Hőmérséklet / C Rel. páratartalom / % Szélsebesség / m s , , , , , , , , , Adatkiértékelés Az ultrafinom aeroszol részecskék egyik, globális szinten fontos forrása a légköri nukleáció. A nukleáció járulékát az összes többi forráshoz viszonyítva és különböző levegőkörnyezetekben a nukleációs erősségi tényezővel (Nucleation Strength Factor, NSF) fejezhetjük ki (Salma et al., 2014). Az NSF-et a következő matematikai összefüggéssel definiáljuk: 19

20 NSF = ( N N ) nukleációs napok ( N N ) nemnukleációs napok, (2) ahol N6 100 és N rendre a nm és nm átmérőjű aeroszol részecskeszámkoncentrációját jelölik. A nm átmérőjű ultrafinom részecskék a helyi forrást jellemzik, míg a nm átmérőjű részecskék az egész régióról szolgáltatnak információt. Ha az N6 100/N részecskeszám-koncentrációk arányait átlagoljuk nukleációs napokra, akkor megkapjuk az összes forrásból keletkezett, tehát emisszióval, transzportfolyamatokkal, illetve nukleációval képződött ultrafinom aeroszol részecskék relatív mennyiségét a regionális aeroszolhoz (N ) képest. Amennyiben ugyanezt az arányt nemnukleációs napokra képezzük, akkor azt fejezzük ki, milyen mértékben járul hozzá az összes forrás a nukleáció kivételével az ultrafinom aeroszol részecskék és a teljes regionális aeroszol arányához. Feltételezve, hogy nukleációs és nemnukleációs napokon az ultrafinom aeroszol részecskék forrásai az újrészecske képződést leszámítva azonos mértékben vannak jelen, az NSF arányszám azt mutatja meg, hogy mekkora a nukleáció járuléka az összes többi forráshoz képest. (Az NSF tekinthető a dúsulási faktor analógiájának is, ahol az eltérő környezetekből származó különböző aeroszol-alkotók tömegjárulékát tekintjük.) Amennyiben NSF 1, akkor a nukleáció járuléka (erőssége) elhanyagolható a többi forráshoz képest. Ha 1 < NSF < 2, akkor a nukleáció járuléka már jelentékeny és számottevő, míg NSF > 2 esetén olyan sok ultrafinom aeroszol részecske keletkezik nukleációval, amely meghaladja az összes többi forrás relatív hozzájárulását a régióban jelenlévő részecskék számához. A két, azonos típusú CPC összehasonlítását adatpár alapján végeztem. Kiszámoltam a teljes részecskeszám-koncentrációk arányait és ezek szórását. Külön számításokat végeztem az összes adatra, valamint a N < cm 3 és N < cm 3 koncentrációtartományokra. A dinamikusan változó koncentrációk vizsgálatánál CPC2 esetén egyenesillesztéssel határoztam meg a relaxációs időt. A diffúziós veszteség meghatározása során a CPC2-t használtuk önmagában, részecskeszám-koncentráció meghatározására, míg a CPC1 a DMPS részeként működött. A CPC által 5 másodpercenként mért értékeket átlagoltam a DMPS által mért 8 perces időintervallumokra, a DMPS csatornánként mért adatait pedig összeadtam a teljes mérési ciklusban ( nm). Ezáltal 1160 adatpárt kaptam az összehasonlítás céljára. 20

21 Az NSF évszakos változatosságának meghatározásához a DMPS által mért differenciális méreteloszlásokat vettem alapul, ami egy év alatt összesen adatot jelentett. A nukleációs, nemnukleációs, meghatározatlan (undefined) és hiányzónak (missing) minősülő napok klasszifikációja Dal Maso et al., 2005 alapján történt. A csatornák integrálásával kaptam meg az N6 100 és N koncentrációkat. A DMPS által kb. 8 percenként mért értékeket 5 percre kerekítettem annak érdekében, hogy egységesen tudjam számolni az NSF napi menetét. Az NSF napi menetének meghatározásához a kerekített időket származtattam 0:00, 0:05,, 23:50, 23:55 között, így összesen 288 adatot kaptam. Az 5 perces időkhöz rendeltem az N6 100/N koncentrációarányok átlagait rendre nukleációs és nemnuklációs napokra. Ezen értékekből határoztam meg az NSF-et az egész évet figyelembe véve, illetve külön tavaszra, nyárra, őszre és télre. Később a kapott eredmények jobb megértése érdekében minden évszakra, nukleációs és nemnukleációs napokra egyaránt származtattam az N6 100 és N koncentrációk átlagának napi menetét. 21

22 4. Eredmények és megvitatásuk 4.1. Kondenzációs részecskeszámlálók összehasonlítása A részecskeszám-koncentrációk időmenetét a 10. ábrán mutatom be. Ezen időszakban a koncentráció 7, cm 3 között alakult. A nagyobb koncentrációk a déli órákban fordultak elő, míg a kisebb értékeket éjjel mértük. CPC1 esetén a medián 16, cm 3, míg CPC2 esetén 18, cm 3 volt. Az átlag és szórás értékek rendre a következőképpen alakultak: (18,8±8,9) 10 3 cm 3 (CPC1) és (21±11) 10 3 cm 3 (CPC2). 10. ábra. Két, azonos típusú kondenzációs részecskeszámláló műszer által mért részecskeszám-koncentráció időbeli alakulása a CPC-CPC összehasonlítás során. A két CPC-vel mért koncentrációk korrelációs ábráját és a koncentrációarányok alakulását az 11. ábrán összegzem: a pontdiagram és koncentrációarányok egyaránt mutatnak tendenciózus eltéréseket. Ennek valószínűsíthetően az az oka, hogy a két detektálási mód (egyedi részecske, illetve fotométer üzemmód) között folytonos átmenet van cm 3 körül, amely a gyártó kalibrációján alapul, valamint nagyobb koncentrációknál a koincidencia jelensége jelentősen befolyásolja az eredményeket (ekkor a részecskék nagy száma miatt a valós idejű korrekció már nem túl hatékony). A kiértékelés során a továbbiakban a N < cm 3 értékeket vettük figyelembe, mivel a készülék detektálási hatásfoka ekkor a kedvezőbb, a műszer pontosabb, ennél magasabb koncentrációknál fotométer üzemmódot használ. Szerencsére a DMPS részeként a CPC már szeparált méretű részecskéket detektál, melyek koncentrációja az egyedi részecske üzemmódba tartozik. N < cm 3 22

23 tartományban a pontokra illesztett egyenes meredeksége 1,142, tengelymetszete 296 cm 3, a korrelációs koefficiens értéke 0,972. Az N < cm 3 koncentrációtartományra illesztett egyenes adatainak használata előnyösebb, ha a CPC-t önmagában, részecskeszámlálásra használjuk, míg például DMPS részeként a N < cm 3 adatpontokra számolt értékek használatosak, hiszen ilyenkor egy-egy csatornában nem tapasztalunk nagyon nagy részecskeszám-koncentrációkat. Ebben a tartományban a CPC2/CPC1 átlaga és szórása 1,11±0,12. Fontos megjegyezni, hogy mindkét CPC eleget tett a gyári specifikációnak, ami egyedi részecske üzemmódnál ±10% eltérést engedélyez két műszer működésében. (Éjszaka, 23:00 és 04:00 között, amikor a koncentrációk sokkal lassabban változnak, a CPC2/CPC1 átlag és szórás 1,03±0,02.) A 11. ábra alsó részén, a koncentrációarányoknál is felfedezhető tendenciózus eltérés (30 50) 103 cm 3 között míg cm 3 alatt az eltérések reziduálisak. 3 3 Koncentráció: CPC1 10 (cm ) R = Koncentráció: CPC2 10 (cm ) R = m =1.142 m =1.034 m = N < cm N < cm Konc. arány ,0 1,5 1, Koncentráció: CPC1 10 (cm ) 11. ábra. CPC1 és CPC2 által mért részecskeszám-koncentráció értékek korrelációs ábrája (felső panel), valamint a CPC2/CPC1 koncentráció arányok (alsó panel). A felső ábrán a N < cm 1 adatokra illesztett egyenest piros, míg a N < cm 1 adatokra illesztett egyenest zöld színnel jelöltem. Az alsó ábrán a piros, vízszintes vonal a középértéket, a sárga sáv a szórást jelöli. 23

24 Bár a CPC-k által mért koncentrációk hibahatáron belül azonosnak tekinthetők, mi azonban kíváncsiak voltunk arra, mi okozza működésükben a mérsékelt eltérést. Ennek érdekében HEPA 1 (nagyhatékonyságú aeroszol részecske légszűrő) szűrőt illesztettünk felváltva az egyes CPC-k elé, hogy vizsgáljuk, hogyan reagálnak a dinamikus koncentrációváltozásra. A 12. ábrán bemutatom a mért koncentrációk változását. A CPC1 gyorsan (néhány mérési pont során, azaz néhányszor tíz másodperc alatt) reagált a szűrő miatt bekövetkezett drasztikus koncentrációcsökkenésre, amely mintegy öt nagyságrendet fogott át. A CPC2 esetében megfigyelt koncentrációcsökkenés kb. négy nagyságrendnyi, aminek sebessége szintén gyors, de később egy lassú, exponenciálissal közelíthető szakasz következik, amely szakaszra illesztett időállandó (relaxációs idő) értéke 1,6 perc. A dinamikusan változó koncentrációértékek eltérő mérése részben magyarázható a válaszidők különbségével CPC CPC2 Koncentráció (cm -3 ) =1.6 min :44 08:46 08:48 08:50 08:52 08:54 08:56 08:58 09:00 09:02 09:04 09:06 Idő (hh:mm) 12. ábra. A HEPA szűrő hatása a mért koncentrációkra a két CPC esetében A diffúziós veszteség korrekciója a DMPS rendszerben A 13. ábrán látható, hogy a CPC szisztematikusan nagyobb részecskeszámkoncentráció értékeket mért, mint a DMPS. Ennek oka, hogy a DMPS műszeren belül hosszabb csövek találhatók, így a részecskék nagyobb diffúziós veszteséget szenvednek. A 1 High Efficiency Particulate Air. 24

25 CPC által mért részecskeszám-koncentráció mediánja 13, cm 3, míg a DMPS-nél ugyanez az érték 11, cm 3. Érdemes megjegyezni, hogy a DMPS által mért koncentráció egyik csatornában sem haladta meg a cm 3 értéket annak ellenére, hogy a mérés ideje alatt az időjárás anticiklonális jellegű volt, ami általában nagyobb koncentrációkat eredményez. Megalapozott volt tehát az összehasonlító vizsgálat során az N < cm 3 koncentrációkra történő szűkítés az 4.1. fejezetben. 13. ábra. CPC2 és DMPS által mért részecskeszám-koncentráció időbeli alakulása a DMPS és CPC összehasonlítás során. A DMPS és CPC által mért koncentráció értékek összehasonlítását a 14. ábrán foglalom össze. Az adatpontokra illesztett korrelációs egyenes meredeksége és annak szórása 0,823±0,009, míg a tengelymetszete és annak szórása ( 163±149) cm 3. A CPC/DMPS koncentrációk középértéke és szórása 1,26±0,18, a medián érték pedig 1,22. Az arányok nem mutatnak tendenciózus eltérést, és fluktuációkra emlékeztetnek. Hasonló jelenséget tapasztaltunk a CPC/DMPS arányokra a mérési idő függvényében is. 25

26 Koncentráció: CPC (cm 3 ) R 2 =0.876 Koncentráció: DMPS 10 3 (cm 3 ) m=1.000 m=0.823 Konc. arány 0 2,0 1,5 1,0 0, Koncentráció: CPC (cm 3 ) 14. ábra. CPC2 és DMPS által mért részecskeszám-koncentráció korrelációs ábrája (felső panel), valamint a CPC2/DMPS koncentráció arányok (alsó panel). A felső panelen az adatpontokra illesztett egyenest piros színnel jelöltem. Az alsó ábrán a piros, vízszintes vonal a középértéket, a sárga sáv a szórást jelöli. Az összemérési gyakorlat eredményeként a CPC/DMPS részecskeszám-koncentráció mediánját (1,22) fogadtuk el korrekciós faktornak, mellyel a DMPS által mért teljes részecskeszám-koncentrációk korrigálhatók. Érdemes megjegyezni, hogy az egyenes illesztéssel kapott tengelymetszet érték és szórása ( 163±149) cm 3 tájékoztat arról, hogy a DMPS rendszerrel biztonsággal meghatározható részecskeszám-koncentráció minimális értéke mintegy 500 cm 3. Ennél kisebb értékeket az elmúlt 4 év során Budapesten nem mértünk, ami megerősíti, hogy az általunk alkalmazott DMPS megfelelő és alkalmas műszer a térségben uralkodó légköri részecskeszám-koncentrációk meghatározására. 26

27 4.3. A nukleációs erősségi tényező átlagos napi változása A teljes évre vonatkozó adatokból meghatározott NSF napi változását a 15. ábrán mutatom be. Az adatokon 1 órás simítást végeztem (mozgó átlag) annak érdekében, hogy a tendenciózus alak vagy mintázat jobban megjelenjen. Az ábrán látható, hogy éjjel, reggel és este az NSF 1 1,5 között ingadozik. Ez arra utal, hogy ebben az időszakban nincs nagy eltérés nukleációs és nemnukleációs napokon az ultrafinom aeroszol forrásaiban. A görbén egyetlen, nagy csúcs jelenik meg, amelyik délben mutat maximumot. Ez a nukleáció előfordulásának valószínűségével egybeesik; ekkor az ultrafinom aeroszolnak meghatározó, olykor minden más forrást felülmúló forrása a nukleáció. Az NSF éves átlagértéke (számtani közepe) 1,75, ami azt mutatja, hogy a nukleációs forrás jelentős éves skálán Budapest belvárosában. 4,5 4,0 számolt adatok 1-h simítás Nukleációs erősségi tényező 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Idő (HH:mm) 15. ábra. A nukleációs erősségi tényező napi változása a teljes évre vonatkozóan. Ultrafinom aeroszol részecskék a belvárosban keletkezhetnek például dízel gépjárművek közvetlen emissziójából, vagy a lakóterek fűtéséből. Ezek mellett azonban egyáltalán nem hanyagolható el a nukleációs forrás jelentősége. Ha a város levegője szennyezett, kevesebb eséllyel játszódik le nukleáció, azonban tisztább levegőben a nukleáció akár 2 3-szorosára növelheti a részecskeszám-koncentrációt. A két jelenség egymást váltó, alternáló jellegéből következik, hogy a részecskeszám-koncentráció nagyságának nincs 27

28 különösebb évszakos változása a városban, éves skálán a koncentráció többé-kevésbé állandó. Másrészt a folyamat eredményeként a nukleáció egészségügyi hatásait szem előtt kell tartani A nukleációs erősségi tényező átlagos évszakos változása Az NSF napi menetét tavasszal, nyáron és ősszel a 16. ábrán mutatom be. Az NSF évszakos változásának alakja tavasszal és nyáron a várakozásoknak megfelelően, az éves változáshoz hasonlóan alakult. A délelőtti értékek kb. 1 körül ingadoznak, és az évszakos görbéken szintén egyetlen csúcs alakul ki, dél körül. A csúcs nagyságában ősszel sincs nagy különbség, azonban itt már délelőtt és este is kb. 1,5 2 között változik az NSF. Az NSF átlagértékei tavasszal, nyáron és ősszel rendre 1,50, 1,34 és 1,83. Ősszel legnagyobb az átlagos NSF, de ez a délelőtti, rendhagyóan nagy értékekkel kapcsolatos; tavasszal nagyobb, nyáron kisebb a nukleációs forrás jelentősége. Ez a jelentőség azonban nem hanyagolható el az emissziós és más forrásokkal összehasonlítva. A maximum érték tavasszal és ősszel nagyon hasonló, nyáron kisebb. Ennek magyarázata, hogy az átmeneti évszakokban a növények biológiai aktivitása jelentős. Nukleációs erősségi tényező 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 tavasz nyár ősz 1-h simítás 1-h simítás 1-h simítás 0,5 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Idő (HH:mm) 16. ábra. A nukleációs erősségi tényező átlagos napi változása tavasszal, nyáron és ősszel. Az ősszel megjelent gyenge tendencia télen még fokozottabban érvényesül (17. ábra), ekkor délelőtt és az esti órákban is az NSF 2 4 között alakult. Ehhez képest a déli órákban 28

29 megjelenő csúcs kevésbé intenzív, de egyértelműen látható. Az adatok szórása azt sejteti, hogy nem alakult ki reprezentatív adatsor ebben az időszakban. Télre az NSF átlaga 2,83 lett, amely szokatlanul nagy érték, és nem egyeztethető össze a nukleáció előfordulásával és más tulajdonságaival kapcsolatos elképzelésekkel. Az őszi délelőtti és a téli szokatlan NSF görbék okainak keresése érdekében elkészítettem a részecskeszám-koncentrációk tipikus napi változását különböző méretfrakcióban minden évszakra, nukleációs és nemnukleációs napokra egyaránt. 15 Nukleációs erősségi tényező tél 1-h simítás 0 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Idő (HH:mm) 17. ábra. A nukleációs erősségi tényező átlagos napi változása télen Az ultrafinom és regionális aeroszol koncentrációjának átlagos napi változása Az ultrafinom aeroszol tartózkodási ideje legfeljebb egy óra, ezért megjelenése és jelenléte a levegőben közvetlenül kapcsolható a forrásához. Első közelítésben helyi, városi vagy nagyobb kiterjedésű forrással azonosítható. Az ultrafinom és regionális aeroszol részecskék koncentrációjának napi menetét a négy évszakban külön-külön nukleációs és nemnukleációs napokon a ábrákon tüntettem fel. Tavasszal és nyáron nagyon hasonló görbéket kaptam (18. és 19. ábra). Tavasszal szinte teljesen átfedi egymást a két, regionális aeroszolhoz tartozó görbe, még nyáron is 29

30 meglehetősen hasonló értékeket tapasztaltunk. Ez alátámasztja azt a feltételezést, amelyet az NSF bevezetésekor alkalmaztak: nukleációs és nemnukleációs napokon a részecskeszámkoncentrációt meghatározó főbb folyamatok a nukleációt kivéve azonosak. A nukleációs napokon kapott N koncentrációk átlagának aránya a nemnukleációs napokhoz képest tavasszal és nyáron rendre 1,01, és 1,06. Az N6 100 koncentrációk lefutása élesen különbözik egymástól nukleációs és nemnukleációs napokon. Kezdetben, 7 óráig a két görbe hasonló értékeket mutat, 9 óráig a tendencia még azonos, az értékek azonban elkülönülnek óra között teljesen eltérő koncentrációkat kaptunk, míg a nap végén kisebb-nagyobb mértékben mindkét görbe mutat elnyúlt, lokális maximumot. A reggeli és a délutáni-esti hasonló értékekre az ultrafinom aeroszol közös forrása ad magyarázatot: városban ilyen a gépjármű közlekedés, amelyet reggeli és esti csúcsforgalommal tudunk jellemezni. Nemnukleációs napokon a koncentráció alakulása gyakorlatilag teljesen követi a gépjárműforgalom változásait (Salma et al., 2011b). Az esti csúcs azért jelentkezik valamivel később, mivel ezekben az órákban a helyi meteorológia, különösen a keveredési határréteg dinamikája és az intenzív keveredés későbbre tolja a maximumot, 18 óra helyett így a késő esti órákban láthatjuk azt. A nukleációs napokon mért koncentráció a reggeli és esti csúcs közé szuperponálódik, ennek maximuma a déli órákban van, és a megnövekedett részecskeszám-koncentráció oka egyértelműen a nukleáció (N_6-100) nuc (N_ ) nuc tavasz Koncentráció 10-3 (cm -3 ) (N_6-100) n (N_ ) n 1-h simítás 1-h simítás 3 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Idő (HH:mm) 18. ábra. N6 100 és N koncentrációk átlagos napi változása nukleációs és nemnukleációs napokon, tavasszal. 30

31 21 (N_6-100) nuc nyár Koncentráció 10-3 (cm -3 ) (N_ ) nuc (N_6-100) n (N_ ) n 1-h simítás 1-h simítás :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Idő (HH:mm) 19. ábra. N6 100 és N koncentrációk átlagos napi változása nukleációs és nemnukleációs napokon, nyáron. Télen a regionális aeroszol koncentráció napi menetében eltolódást tapasztaltam nukleációs és nemnukleációs napokon (20. ábra). Nemnukleációs napokon a koncentráció több, mint kétszerese annak, ami nukleációs napokon előfordul (nemnukleációs/nukleációs napokra az arány 2,2). Az N6 100 koncentrációk menetében szintén eltérést tapasztalunk. Míg nukleációs napokon kisebb koncentrációkat tapasztalunk a tavaszihoz/nyárihoz képest, addig nemnukleációs napokon nagyobbakat. Amikor télen nukleáció történik, a nm méretű részecskékből kb. fele annyi van a légkörben, mint amikor nincs nukleáció. A már meglévő aeroszol nyelőként viselkedik a kondenzálódó gőzök, illetve az újonnan képződött részecskék számára, így a nukleációt elnyomhatja. A 20. ábrán azt is látjuk azonban, hogy nukleációs napokon az ultrafinom részecskék nem követik a nemnukleációs napokon fellelhető gépjármű forgalommal magyarázható koncentrációváltozást. A két jelenség együttesen arra utal, hogy télen a nukleáció csak nagyon tiszta légkörben játszódik le. 31