Aerosool

Tekkeviisi alusel jagunevad aerosoolid primaarseteks ja sekundaarseteks. Aerosoolid kas emiteeritakse otse tekkeallikast valmiskujul või tekivad keskkonnas füüsikaliste ja keemiliste protsesside käigus. Primaarseteks on otse allikatest paiskuvad osakesed, nagu vulkaaniline tuhk, meresool, tuule-erosiooni tolm, kaevandamisel ja lõhkamistöödel tekkiv tolm, autotranspordi tolm. Sekundaarsed aerosoolide tekivad erinevate atmosfäärigaaside reageerimisel ja kondenseerumisel või jahtuva gaasi kondenseerumisel. Tekkimisel võivad osaleda nii looduslikud gaasid kui ka inimtegevuse poolt õhku paisatud lisandgaasid (SO₂, NH₃, NO_x, joodi oksiidid, gaasilised orgaanilised ained). Nii tekivad näiteks pilvepiisad ja sudu.^[4]

Tekke- ja emiteerumisallikate järgi jagunevad aerosoolid looduslikeks ja inimtekkelisteks^[1]:

• Suurem osa õhu aerosoolidest pärineb looduslikest allikatest. Näiteks bioloogilistest allikatest lähtuv taimne materjal, nagu õietolm ja seemned ning lenduvad orgaanilised ühendid (VOC), väikesed elusorganismid, nagu bakterid ja viirused, biomassi põlemise tuhk ja gaasid, maapinnalt tuulte ja turbulentsi poolt õhku tõstetud pinnaseosakesed, vulkaaniline tuhk ja sulfaatsed gaasid, mereveest eralduvate mullide lõhkemisel lenduvad soolaosakesed.
• Inimtekkelisi aerosoole on kogu hulgast ligi 20%^[1]. Allikatena võib vaadelda sõiduteid, põllumaid, kütuste põletamist ning tööstusprotsesse. Õhku jõuavad osakesed tuulte tõttu, erosiooniga või kõrgetest korstnatest ja transpordivahenditest. Näiteks paiskuvad nii õhku pinnaseosakesed, CO (põlemisprotsessidest), SO₂ (tööstusest), NO_x (transpordist), lenduvad orgaanilised ühendid (VOC).

Õhu gaasiliste komponentide molekulide diameetrid jäävad alla 1 nm (10⁻⁹m). Aerosooliosakeste mõõtmed on enamasti suuremad, kuid väga varieeruvad, alates mõnest nanomeetrist (10⁻⁹m) kuni kümnete mikromeetriteni (10⁻⁶m). Suuruse järgi eristatakse PM10, PM2,5, PM1 osakesi. Need vastavad 10, 2,5 ja 1 mikromeetristele diameetritele. Täpsemalt näitab see jaotus aerodünaamilist diameetrit, mille puhul läbivad osakesed mõõtmisprotsessis 50% efektiivsusega vastava selektiivse sisendi. ^[5]

• PM1 osakesi tekib tööstuses (sulfaadid, nitraadid, ammoonium, elementaarne ja orgaaniline süsinik), kütuste põletamisel, maakide sulatamisel, metallide tootmisel.
• PM2,5 osakeste hulka kuuluvad enamik mehaaniliste protsesside tagajärjel tekkivatest aerosoolidest, nagu erosiooni, tuule, purustamise puhul tekkiv tolm, tolm teedelt, tänavatelt, ehitusest, põllumajandusest, meresool, õietolm, taime eosed, lendtuhk kütuste põletamisest, vulkaaniline tuhk, tulekahjudest lenduvad osakesed.
• PM10 osakesi satub palju õhku kevaditi, kui talvise tänavate liivatamise ja naastrehvide kasutamise tõttu eraldub kulutatud asfaldilt suuremaid osakesi, mis liikluses lenduvad.^[6]

Suuremad osakesed väljuvad atmosfäärist kiiremini ja pole keemiliselt nii aktiivsed, kui väikesed sekundaarsed osakesed. Viimaste suurus on atmosfääris ajas muutuv. Põhiline muundumisskeem on järgmine^[4]:

• Erinevad keemilised ja füüsikalised protsessid muudavad atmosfääri paisatud ained kergesti kondenseeruvaks. Molekulide piisava kontsentratsiooni saavutamisel ühinevad need tilkadeks või tahke aine osakesteks. Ühinemisprotsessi nimetatakse nukleatsiooniks ning selle käigus tekivadki sekundaarsed aerosoolid.
• Nukleatsiooni produktid kasvavad samade või teiste õhu lisandgaaside molekulide kondenseerumisel nende pinnale ja nende osakeste omavahelise liitumise ehk koagulatsiooni käigus.
• Sekundaarosakesed ei kasva läbimõõdult suuremaks kui üks mikromeeter, sest läbimõõdu suurenedes kasvuprotsessid aeglustuvad ja väljasadestumine kiireneb.

Aerosooliosakesed ei saa atmosfääris igavesti püsida. Õhus viibimise aeg on mõnest päevast kuni mõne nädalani. Osakese eluiga oleneb asukohast ja osakese suurusest. Eemaldumisprotsesse mõjutavad gravitatsioon ja kondenseerumispinnad.

Eraldumisteed ehk neelud jagunevad märgväljasadestumiseks, kus osaleb vesi, ja kuivväljasadestumiseks. Märgdepositsioon jaguneb omakorda lihtsalt väljapesemiseks (washout), kus osake ühineb olemasoleva pilvetilgaga, vihmaga väljapesemiseks (rainout), kus osake on kondensatsioonituum, ja väljapühkimiseks (sweepout), kus osake haaratakse kaasa saju käigus.

Kuivdepositsioon jaguneb omakorda gravitatsiooniliseks ja turbulentseks väljasadestumiseks.^[7]

Atmosfääriaerosooli osakestel on mitmeid olulisi rolle, näiteks põhjustavad atmosfääri hägususe, hajutavad ja neelavad päikesekiirgust, on pilvede ja udude tekkel kondensatsioonituumadeks, seovad kergeid ioone, vähendades oluliselt nende elektrilist liikuvust, muundades sellega laengu jaotust ruumis ja elektrivälja, omavad olulist rolli atmosfäärikeemias, mõjutavad kliimat.^[7]

Aerosoolide mõju inimese tervisele on väga tugev. Peened aerosoolid võivad põhjustada südame- ja kopsuhaigusi, astmahooge ja mitmeid teisi terviserikkeid. Eriti ohtlikud on väga väikesed saasteosakesed, need läbivad membraane ning kanduvad vereringega organitesse laiali, kahjustades kogu organismi. Kuna aerosoolid sisaldavad erinevaid ohtlike saastegaaside komponente, on kahjulikke mõjusid veel. Näiteks soodustab hingamisteede haigusi SO₂, mis on ohtlik ka taimedele, kuna lagundab kattekudesid ning pidurdab taime arengut. Ohtlik on ka gaasiliste NO_x sisaldus, mis mõjutab hemoglobiini kaudu organismi vereringet. Aerosoolide toime on väga keeruline, kuna on raske eristada ühe aine mõju teise omast. Seega on tegemist olulise uurimisvaldkonnaga. Praeguseks on näiteks tõestatud kahjulik toime epidemioloogilistes ja ka diiselmootori ülipeenete heitgaasiosakeste lühiajalise eksponeerimise mõju uurivas eksperimendis.^[8]

Londoni tüüpi sudu on näide aerosoolide kahjulikkusest. Algselt pärineb nimetus 1905. aastast, mil Londonis söega kütmise tagajärjel eraldus korstnatest palju suitsu (tahma) ja vääveldioksiidi. Tahmaaerosooli osakesed on kondenseerumistuumadeks õhuniiskuse ja udupiiskade jaoks.^[1] Tahmas leiduva raudsulfiidi reaktsiooni õhuhapnikuga kirjeldab järgmine valem:

4FeS₂ + 11 O₂ => 8 SO₂ + 2Fe₂O₃

Tekkiv SO₂ on vees hästi lahustuv ning kogub selle tõttu enda ümber kondenseeruvat vett. Tahmas sisaldub ka metallijääke, mille katalüüsi abil muudetakse SO₂ edasi väävelhappeks. Tulemuseks on tervist kahjustav aerosool.^[9]

Aerosooli kontsentratsiooni väljendamiseks kasutatakse kas ruumalaühikus leiduvate osakeste arvu ehk arvkontsentratsiooni või ruumalaühikus leiduvate osakeste massi ehk masskontsentratsiooni. Need näitajad on omavahel seotud ning üksteiseks teisendatavad osakeste kuju ja tiheduse kaudu. Suuruse erinevustest tingitult on väikestel osakestel võrreldes jämedate osakestega masskontsentratsioon väiksem ja arvkontsentratsioon suurem. Aerosooli mõõtmisi tehakse tuginedes osakeste erinevale massile. Suurusjaotuse spektrites eristuvad selgelt eri suurustega osakeste kogumikud (moodid).

• Nukleatsioonimood (u 3–30 nm) – gaasiliste lisandite kondenseerumisel moodustuvad klastrid, mis kaovad kiirelt Browni liikumises akumuleerumise tõttu.
• Aitkeni mood (u 30–100 nm) – suuremad klastrid, mis on peamised kondensatsioonitsentrid pilvetilkade tekkimisel.
• Akumulatsioonimood (u 100–1 μm) – tekivad väiksemate osakeste ühinemisel (koagulatsioonil), põlemisel, aurude kondenseerumisel jms protsessides. Need osakesed kogunevad atmosfääris, kuna on liiga suured selleks, et difusiooni teel kiiresti edasi koaguleeruda ja liiga väikesed selleks, et raskusjõu mõjul välja sadestuda. Väljuvad atmosfäärist väljapesemisel sademetega.
• Mehaanilise tekkega osakeste mood (u. 1–10 μm, mõnikord kuni 100 μm) – osakesed, nagu tolm, lendtuhk, meresool, taimeeosed, mida tekib massi järgi palju, kuid mis sadestuvad gravitatsiooni tõttu kiiresti välja.^[5]

Proovikogumise variantideks on isokineetiline proovivõtt, kus õhku imetakse läbi avause mõõteaparaati ja mõõtmised on seotud osakeste liikumisinertsiga, ning filtreerimine, kus osakesed kogutakse filtrile sellest õhku läbi imedes ja mõõtmised on seotud filterpaberi omaduste muutumisega.

• Nefelomeeter – põhineb osakeste omadusel oma diameetrist olenevalt valgust hajutada. Selle abil mõõdetakse atmosfääri läbipaistvust.
• Etalomeeter – põhineb osakeste peegeldusomadustel. Määratakse filtrilt peegelduva valgushulga muutumist.
• Beetanõrgenemine – põhineb osakeste omadusel neelata beetakiirgust. Mõõdetakse beetakiirguse nõrgenemist filtri läbimisel.
• Resoneeriv mikrotasakaal – põhineb võnkuva elemendi resonantssageduse muutumisel elemendile sadestuvate aerosooliosakeste tõttu.
• Proovikogujad – lehtrid, millesse teatud perioodi vältel sadestunud osakeste mass mõõdetakse.
• Lumikatte proovid – aerosooliosakesed on olnud lume tekkimisel kondensatsioonitsentriteks ning lumeproovis mõõdetakse sisalduvate aerosooliosakeste mass.^[5]

• Impaktor – õhuvool sunnitakse kiirelt suunda muutma ning olenevalt suurusest sadestuvad välja suuremad osakesed.
• Difusioonipatarei – õhk juhitakse läbi toru. Seintele difundeerumise kiiruse määrab inerts. Suuremad osakesed sadestuvad lühema vahemaa läbimise jooksul, tekib suurusjaotus.
• Elektrilise liikuvuse analüsaator – põhineb laetud osakeste triivimisel õhus elektrostaatilise välja toimel. Kuna liikumise suuna muutus kondensaatori katete vahel on määratud osakese laengu ja massiga, saab võrdsete laengute puhul määrata osakeste massid.
• Elektriline aerosooli spektromeeter – põhineb aerosooliosakeste sadestumisel kondensaatori katetele toimuval katetelaengu muutusel.
• Optiline osakeste loendur – mõõdetakse laserkiire hajumist keskkonnas.
• Kondensatsiooniosakeste loendur – mõõdetakse osakeste esinemist kondensatsioonitsentritena üleküllastunud vee- või alkoholiaurus.^[5]

• Aerosoolvärvimine