Jak „duże” są małe cząstki?

Pewnie każdy z nas zastanawia się, jak wyglądają cząsteczki pyłu, czy tak jak je przedstawiamy schematycznie – w postaci kulek, czy też mają inne kształty i jaki jest ich rozmiar?

Z każdym oddechem do naszego organizmu dostają się olbrzymie ilości cząstek stałych i kropel cieczy, nawet jeżeli wydaje nam się, że powietrze jest czyste. Te wszystkie drobiny zawieszone w powietrzu mają jedną wspólna nazwę – aerozol. Źródła mają różne (o czym już wielokrotnie pisaliśmy) i można je znaleźć nad różnymi ekosystemami: morzami, górami, pustyniami, lasami, nad miastami i w głębi kontynentów daleko od zbiorowisk ludzkich, a nawet nad biegunami. Najwięcej ich występuje w przypowierzchniowej warstwie powietrza, ale też znajdują w wyższych warstwach atmosfery, w stratosferze, czy mezosferze (głównie w tzw. warstwie sodowej). Mogą być transportowane na dalekie odległości zarówno w poziomie, jak i w pionie (o tym też już pisaliśmy) i mają niewielkie rozmiary: od kilku nanometrów (1 nm=10^-9 m), mniej niż wielkość najmniejszych wirusów (0.02 – 0.3µm), które też traktujemy jako aerozol biologiczny, do kilkudziesięciu mikrometrów (1 µm= 10^-6 m), czyli więcej niż grubość przeciętnego włosa ludzkiego. Dla porównania typowa czerwona krwinka ludzka ma średnicę 6-8 µm i grubość od 2–2.5 µm na obrzeżu do 0.8–1 µm w środkowej części.

Mimo niewielkich rozmiarów odgrywają bardzo ważną rolę w środowisku, wpływają na zdrowie ludzkie, widzialność, powstawania opadów, czy klimat. Specjaliści zajmujący się badaniami aerozoli opisują cząstki na podstawie kształtu, wielkości i składu chemicznego, a jedną z ważniejszych ich cech jest rozmiar. Ze względu na skutki zdrowotne zazwyczaj dzielone są one na frakcje: ultradrobną o średnicy poniżej 0,1 µm, drobną – o średnicy poniżej 2,5 µm, czy też grubą – o średnicy poniżej 10 µm. Na stacjach monitoringu mierzone są powszechnie tzw. pył PM_2.5 oraz pył PM₁₀, czyli o średnicy ziaren poniżej 2,5 µm i poniżej 10 µm.

Rozmiar cząsteczek w dużej mierze odzwierciedla sposób ich powstawania. Aerozole powstające w wyniku przemian (konwersji) zanieczyszczeń gazowych mają średnicę mniejszą niż 0,01 μm. Ponad 80 % cząstek generowanych podczas procesów spalania (m.in biomasy, węgla) jest mniejsze niż 1 μm, średnia ich wielkość wynosi zwykle około 0,1 μm (pomiędzy 50 a 200 nm). W późniejszym etapie mogą się łączyć ze sobą lub z kroplami wody dając grubszą frakcję. Aerozol powstający w procesach mechanicznych np. porywany z powierzchni ziemi przez wiatr, jest dużo większy, często o średnicy powyżej 10 μm (nawet powyżej 100 μm). Większość aerozoli (szacuje się, że nawet 90 %) powstaje w wyniku procesów naturalnych, jednak głównie są to cząstki duże, a te najdrobniejsze, najbardziej szkodliwe zazwyczaj związane są z działalnością człowieka. Cząstki najdrobniejsze mogą utrzymywać się bardzo długo w powietrzu, natomiast te duże osiadają bardzo szybko, niedaleko od miejsca, gdzie powstały. Rozmiar aerozoli odgrywa ogromną rolę w ich dalszym losie w środowisku, wpływa na ich czas życia, na toksyczność, interakcje z promieniowaniem słonecznym…, ale to już temat na kolejny rozdział.

Mahesh Tiwari et al., 2014, Particle size distributions of ultrafine combustion aerosols generated from household fuels, Atmospheric Pollution Research, Volume 5, Issue 1, 145-150,

Colbeck, I., Lazaridis, M., 2014, Aerosol Science. John Wiley and Sons. https://earthobservatory.nasa.gov/features/Aerosols