Chmury i aerozole

Wiadomości podstawowe

Skąd się biorą aerozole?

Aerozole to maleńkie cząstki stałe lub kropelki cieczy (a także kryształki lodu) unoszące się w powietrzu. Ich rozmiary wynoszą od kilku nanometrów (0,000000001 m) do prawie 100 mikrometrów (0,0001 m, tj. grubość włosa), dlatego też zazwyczaj nie widzimy ich gołym okiem.  

Aerozole pochodzą zarówno ze źródeł naturalnych, jak też antropogenicznych. Mogą się dostać do atmosfery bezpośrednio jako aerozole pierwotne, lub też mogą powstać w atmosferze w wyniku różnych reakcji chemicznych (aerozole wtórne). 

Źródła aerozoli pierwotnych 

Aerozole pochodzą ze źródeł naturalnych i antropogenicznych.

Morza i oceany

Zawiesina kropel i cząstek soli morskiej w powietrzu (tzw. aerozol marygeniczny) powstaje wskutek rozbryzgiwania się fal morskich przy dużej prędkości wiatru (powstają wtedy jedne z największych cząstek aerozoli, zazwyczaj wzbogacone chlorkiem sodu). Emisje aerozoli do atmosfery z oceanów wynoszą około 1,3 mld ton rocznie!

Litosfera

Wiatr może unosić cząstki stałe z powierzchni ziemi, zwłaszcza gdy gleba jest sucha, nie pokryta roślinnością, i przenosić je na duże odległości. Cząstki takie są bogate w pierwiastki budujące litosferę, zawierają dużo żelaza, wapna, glinu. Połowa globalnej emisji cząstek mineralnych na Ziemi pochodzi z pustyni Sahara.

Wulkany 

Erupcje wulkaniczne dostarczają ogromnych ilości gazów i aerozoli do atmosfery. W przeciwieństwie do innych źródeł aerozoli, smugi wulkaniczne są wyrzucane na tak duże wysokości, że cząstki stałe i gazy mogą docierać do stratosfery, np. smuga dymu po wybuchu Pinatubo osiągnęła 40 km wysokości!

Cząsteczki, które dostaną się do wyższych warstw atmosfery nie mogą być stamtąd łatwo usunięte, np. przez deszcz. Materiał wulkaniczny pozostaje więc tam nawet przez kilka lat. Gazy dostarczane do atmosfery przez wulkany powodują powstawanie aerozoli. Wszystkie te cząsteczki znajdujące się w stratosferze mają duży wplyw na kształtowanie klimatu (zobacz też: informacje w części "Więcej" tego pola tematycznego).

Biosfera

Cząsteczki dostające się do atmosfery wskutek procesów życiowych organizmów nazywamy cząstkami biogenicznymi. Aerozole pierwotne mogą się składać np. z pyłków roślin, zarodników grzybów, bakterii czy wirusów. Także pożary lasów dostarczają duże ilości cząstek biogenicznych do atmosfery, np. w Malezji w 1997 r. rozległe pożary lasów spowodowały 15-krotny wzrost zapylenia powietrza w porównaniu z warunkami normalnymi, a sytuacja taka utrzymywała się przez kilka tygodni. 

Przestrzeń kosmiczna 

Do atmosfery ziemskiej docierają czasem cząstki z przestrzeni kosmicznej. Większość z nich ulega spaleniu przechodząc przez wyższe warstwy atmosfery, co obserwujemy jako tzw. "spadające gwiazdy". Część z nich jednak dociera do powierzchni ziemi. Te cząstki, o średnicy mniejszej niż 0,5 mm, są nazywane mikrometeorytami. Naukowcy szacują, że każdego roku na powierzchnię ziemi spada kilka tysięcy ton materii kosmicznej.

Antropogeniczne źródła aerozoli

Cząsteczki dostarczane do atmosfery wskutek działalności człowieka nazywamy aerozolami antropogenicznymi. Zawierają one cząstki o różnych rozmiarach. Pyły emitowane przez transport wskutek m.in. ścierania się powierzchni dróg oraz przez przemysł budowlany (np. cementownie) składają się zazwyczaj z dużych cząstek. Aerozole składające się z drobnych cząstek (o mniejszych rozmiarach), np. zawierające węgiel, powstają np. wskutek spalania paliw kopalnych w elektrowniach, silnikach samochodów, przydomowych kotłowniach.

Nie powinniśmy też zapominać o cząstkach zawartych w powietrzu w pomieszczeniach zamkniętych. Nawet jeśli nie mają bezpośredniego wpływu na klimat, to na pewno oddziałują na nasze zdrowie, gdyż znajdują się w powietrzu, którym oddychamy. Takie aerozole mogą zawierać kurz, włókna, krople środków czystości. 

5. Zdjęcia cząstek aerozoli wykonane za pomocą mikroskopu elektronowego. Od lewej: pył pustynny (źródło: A. Gaudichet, LISA); pyłek kwiatu głogu (źródło: http://uq.edu.au/nanoworld); pył z erupcji wulkanu St. Helen (źródło: http://volcanoes.usgs.gov); pleśń (źródło: M. Boissier, CSTB); sadza (źródło: MPI for Chemistry, Moguncja).

Aerozole wtórne

Aerozole pierwotne są emitowane bezpośrednio do atmosfery z wielu źródeł. Zazwyczaj powstają wskutek dostawy cząstek stałych do powietrza. Jednak cząstki takie mogą powstać w samym powietrzu wskutek przemian substancji z fazy gazowej w stałą. Oznacza to, że mogą powstać nowe cząstki wskutek łączenia się mniejszych cząsteczek, zbyt małych by one same mogły być nazywane cząstkami. Taki proces nazywamy nukleacją. Gazy mogą także kondensować na już istniejących cząsteczkach i tworzyć duże cząstki aerozoli. Cząstki powstałe wskutek przemiany gazu na cząstki stałe są zwykle bardzo małe (średnica do 1 µm), w porównaniu np. z pyłem pustynnym czy pyłkami roślin lub aerozolem marygenicznym, gdzie średnica cząstek wynosi 10 µm i więcej.

Rośliny także dostarczają różne gazy do atmosfery, nazywamy je lotnymi związkami organicznymi (ang. Volatil Organic Compounds, VOC). Gdy wąchamy kwiaty to właśnie stwierdzamy obecność VOC w powietrzu. Więcej informacji na temat tych gazów mozna znaleźć w polu tematycznym "Troposfera", poziom: podstawy, część 2, tekst: Emisje biosferyczne. Gazy emitowane przez rośliny mogą tworzyć aerozole wtórne.

Większość wtórnych aerozoli naturalnych powstaje wskutek reakcji z udziałem gazów zawierających siarkę. Nad oceanami siarka jest najczęściej dostarczana do atmosfery w postaci dimetylosiarczku (DMS), wydzielanego przez fitoplankton. Reakcje chemiczne zachodzące w powietrzu prowadzą następnie do powstania dwutlenku siarki (SO₂). Nad obszarami lądowymi, rozkładające się szczątki roślin i procesy życiowe zwierząt dostarczają do powietrza siarkowodór H₂S (o bardzo nieprzyjemnym zapachu). Erupcje wulkanów są bezpośrednim źródłem emisji SO₂. Ten gaz może wchodzić w dalsze reakcje chemiczne w powietrzu i tworzyć cząsteczki aerozoli siarkowych.

Ze źródeł naturalnych pochodzą też gazy zawierające węgiel, które przyczyniaja sie do powstawania czastek aerozoli.

Roczne antropogeniczne emisje SO₂ wzrosły z 10 mln ton w 1860 do 150 mln ton w latach 80. XX w. Obecnie emisje antropogeniczne gazów zawierających siarkę są większe niż emisje naturalne, nawet pomimo spadku zawartości SO₂ w powietrzu dzięki realizacji postanowień międzynarodowych porozumień dotyczących emisji.

Działalność ludzi jest ponadto źródłem coraz większej emisji do atmosfery związków azotu, co powoduje powstawanie aerozoli azotanowych.
Niektóre związki chemiczne powstające przy spalaniu paliw kopalnych i biomasy, po dostaniu się do atmosfery wchodzą w reakcje chemiczne powodujące powstanie aerozoli zawierających węgiel, które z kolei są niebezpieczne dla naszego zdrowia.

O tej stronie:

Autor: Justine Gourdeau - LaMP - Clermont Ferrand/ Francja
Recenzent: Prof. Guy Cautenet, - LaMP - Clermont Ferrand/ Francja
ostatnia aktualizacja: 2007-03-22
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków