Az aeroszol részecskék higroszkópos tulajdonságának hatása az optikai tulajdonságokra

A relatív nedvesség változásával a részecskék mérete, így a keresztmetszete is megváltozik. Ennek következtében az aeroszol részecskék optikai tulajdonságai (fényszórása és -elnyelése) is változnak. Közismert, hogy a részecskék rövidhullámú sugárzásgyengítése jelentősen befolyásolja a látótávolságot és a Föld-légkör rendszer sugárzási mérlegét. A fényterjedést leginkább azok a részecskék módosítják, amelyeknek átmérője összevethető a fény hullámhosszával (Mie-tartomány). A fény hullámhosszánál (látható tartomány: λ ≈ 400-800nm) lényegesen kisebb részecskéknek (d<0,1µm) elvileg nincs jelentős szerepe a fényszórás meghatározásában.

Nedvszívó tulajdonságaik következtében azonban, a vízfelvétel során az ún. optikailag aktív tartományba (0,1-1,0 µm) kerülnek, ami egyebek mellett a látótávolság jelentős csökkenésével is jár.

A látótávolság a gyengítési (extinkciós) együtthatóval (σ) fordítottan arányos. Az extinkciós együttható elméleti vagy gyakorlati meghatározása lehetővé teszi, hogy kiszámítsuk a látótávolságot (Vh). A látótávolság és az extinkciós együttható közötti összefüggést a Koschmieder-formula írja le (Mészáros, 1999):

€

V_h=3,91

σ (4) Az extinkciós együttható viszont a részecske sugarának négyzetével arányos:

€

σ =Q∗r²∗π ∗N (5)

ahol:

Q: extinkciós hatáskeresztmetszet r: részecske sugara (m)

N: az optikailag aktív tartományban lévő részecskék száma (db/m³).

A relatív nedvesség és a látótávolság között fordított arányosság áll fenn, amit a megnövekedett részecskék nagyobb mértékű fényszórása eredményez. Ez az arány azonban nem lineáris, a relatív nedvesség növekedése a látótávolság intenzívebb csökkenését vonja maga után (a görbe egyre meredekebbé válik). A látótávolság (valamint az ebből származtatott aeroszol extinkció) és a relatív nedvesség közötti kapcsolatot a nemzetközi szakirodalomban régóta vizsgálják (pl. Horvath 1967., Day and Malm, 2001; Malm et al., 2003). A részecskék extinkciós együtthatója exponenciálisan változik a relatív nedvességgel, ezért e két paraméter közötti kapcsolat leírására a gamma-modell függvény ugyancsak jól alkalmazható.

Az aeroszol részecskék fénygyengítése és a részecskék higroszkópos tulajdonsága közötti kapcsolatot Magyarország 23 szinoptikus meteorológiai állomásán 1996 és 2002 között regisztrált látótávolság és relatív nedvesség adatok segítségével vizsgáltuk (Molnár et al. 2008).

Megállapítottuk, hogy a relatív nedvesség növekedésével, vagyis a részecskeméret növekedésével jelentősen csökken a látótávolság, illetve növekszik az extinkciós együttható értéke (lásd 31. ábra), amelyet a Koschmieder-formula alkalmazásával számítottunk.

31. ábra. A látótávolság és az extinkciós együttható változása a relatív nedvesség függvényében a Kecskeméti meteorológiai állomáson. (a folytonos görbe a gamma-modell illesztést mutatja)

Ezt követően a gamma-függvény alkalmazásával kiszámítottuk a fénygyengítési együtthatók értékeit 40% (száraz), illetve a 85%-os relatív nedvességen, amelyek átlagos értékei rendre 0,151 km^-1 és 0,394 km^-1 voltak. A 17. táblázatban mind a 23 állomásra vonatkozó eredmények láthatók.

Az adatok alapján kiszámítottuk a gyengítési együttható növekedési faktorát (Gext=σe(85%)/σe(40%)). A táblázat adataiból kitűnik, hogy a növekedési faktor jelentős mértékben változik a megfigyelési hely függvényében. A nagyobb értékek inkább a nyugati országrészre jellemzőek. A 23 állomás adatai alapján az extinkciós együttható átlagos növekedési faktora 2,7, amely nagyobb, mint az USA nemzeti parkjaiban meghatározott 2 körüli érték (Malm et al. 2003). A táblázat utolsó oszlopában az extinkciós együtthatóból származtatott részecskeméret növekedési faktor (GF85%) látható. A számítás során csupán azt vettük figyelembe, hogy az extinkciós együttható a részecskék keresztmetszetének függvénye. Így a részecskék

részecskék növekedési faktora. K-pusztán, minden évszakot és minden méretintervallumot figyelembe véve GF86% 1,09-től 1,74-ig változott, ugyanakkor a legközelebbi szinoptikus állomás (Kecskemét) látótávolság adataiból GF=1,64 értéket kaptunk.

17. táblázat Az extinkciós együttható és az aeroszol részecskék higroszkópos növekedési faktora (RH=85%) Magyarországi szinoptikus állomások 1996 és 2002 között mért látótávolság adatai alapján.

Számított extinkciós

Budapest Pestszentlőrinc 0,096 0,350 3,6 1,90

Kékestető 0,092 0,154 1,7 1,30

Budapest Ferihegyi repülőtér 0,311 0,473 1,5 1,22

Tököl 0,311 0,672 2,2 1,48

Tihanyban a mért növekedési faktor 1,05 és 1,37 közötti volt, Siófokon (Balaton mellett a legközelebbi állomáson) a származtatott GF értékére 1,76-t kaptunk. Természetesen ennél az összevetésnél figyelembe kell venni még azt is, hogy a közvetlen mérések száma lényegesen kisebb, mint a látótávolság adatoké, valamint, hogy az extinkciós együtthatók más időszakra vonatkoznak, mint a mérések adatai.

5 Összefoglalás

Munkám során a 0,125-16 µm mérettartományban a légköri aeroszol részecskék higroszkópos viselkedésének vizsgálatát tűztem ki célul. Disszertációmban három mintavételi helyszínről (Budapest, Tihany, K-puszta) származó aeroszol mintákkal foglalkoztam. Mindhárom esetben Berner-típusú kaszkád impaktorral történt a mintavétel, amely a 0,125 µm - 16 µm közötti mérettartományban részletes méret szerinti vizsgálatot tett lehetővé. A részecskék higroszkópos vizsgálatát tömegméréssel végeztem, zárt kamrában elhelyezett mikormérleg segítségével. A kamrában a relatív nedvesség növelésével, illetve csökkentésével meghatároztam az aeroszol részecskék vízfelvételét, illetve vízleadását. A vízfelvétel során bekövetkező tömegváltozásból kiszámítottam a részecskék méretében bekövetkező változást a relatív nedvesség függvényében.

Kimutattam, hogy a részecskék higroszkópos növekedése függ a részecskemérettől, a mintavételi helytől, valamint az évszaktól. Városi levegőben az aeroszol részecskék higroszkópos növekedési faktora (RH=86%) 1,18 alatt volt minden mérettartományban. Háttéraeroszolban a finom mérettartományban az őszi minták voltak a legkevésbé (GF86%<1,15), a nyáriak a leginkább higroszkóposak (GF86%>1,41). A nyári minták kivételével, mind a háttér-, mind a vidéki aeroszolban a higroszkóposság a méret növekedésével nőtt. A vidéki aeroszol esetében a finom tartományban a nyári minták (GF86%=1,23-1,33), a durva tartományban az őszi minták voltak a leginkább higroszkóposak (GF86%=1,32-1,63).

A vízfelvétel (RH=30%-tól RH=100%-ig) majd a vízleadás után (RH=100%-ról RH=30%-ra) meghatározott aeroszol tömeg alapján kimutattam, hogy a részecskék méretüktől függően eltérő mértékben képesek a környezetükből felvett vizet leadni. A visszatartott víz mennyisége (a kiindulási „száraz” és a vízleadás utáni RH=30%-on számított tömegkülönbség) a városi mintákban a legkisebb (finom tartományban: 0,31; durva tartományban: 0,15 µg víz/µg száraz aeroszol tömeg). Háttérlevegőben a finom mérettartományban télen a legkisebb (0,47 µg/µg száraz aeroszol tömeg), tavasszal (0,97 µg/µg száraz aeroszol tömeg) a legnagyobb a visszatartott víz mennyisége.

felvett víz mennyiségét. A relatív nedvesség növekedésével az 1 µgm^-3 TC 0,74-2,43 µgm^-3-mal csökkenti a vízfelvételt.

A szervetlen vegyületek higroszkópos viselkedése termodinamikai egyenletekkel jól leírható. Ezen alapul a Clegg et al. (1998) által megalkotott AIM (Aerosol Inoganics Model) modell, amelynek segítségével a részecskék szervetlen összetevőinek higroszkópos viselkedését vizsgáltam. A kapott eredményeket a teljes aeroszoltömegre vonatkozó mért vízfelvételelel hasonlítottam össze. Feltételeztem, hogy a két érték közötti különbséget (vízkülönbözet) a szerves, illetve az azonosítatlan komponensek mennyisége határozza meg. Azt az eredményt kaptam, hogy a vízkülönbözet és a szerves komponensek koncentrációja között nincs egyértelmű összefüggés.

Ebből arra következtettem, hogy a szerves komponensek mennyiségének ismerete nem elégséges információ a higroszkópos viselkedés leírásához. Az irodalomból ismert, hogy a szerves anionok szerepet játszanak a higroszkópos viselkedés szabályozásában (Trebs et al., 2005). Feltételeztem, hogy a szervetlen kationtöbbletet a mintákban a szerves anionok jelenléte okozza. A szervetlen ionokból származó kation/anion valamint a vízkülönbözet/TC arányt vizsgálva megállapítottam, hogy szervetlen aniontöbbet esetén a vízkülönbözet/TC értéke negatív, míg kationtöbbletnél pozitív.

Végül az aeroszol részecskék higroszkópos növekedését egy egyszerű gamma-modell segítségével vizsgáltam. A higroszkópos növekedés és a relatív nedvesség összefüggését a gamma-modell exponenciális egyenlettel írja le. A kitevőben lévő γ a higroszkópos növekedés ütemét jellemzi. Megállapítottam, hogy γ értéke a helyszíntől és mérettartománytól függő paraméter. A városi aeroszol minták (tavasz) γ értékei a méret növekedésével csökkennek (0,051-0,088). A háttéraeroszol esetében γ értéke mindhárom mérettartományban a téli időszakban maximális (0,196). A minimum értékek a kondenzációs és durva tartományban ősszel (0,74-0,104), a cseppmódusban nyáron (0,085) fordultak elő. A kitevő értékei vidéki aeroszol esetében a finom tartományában télen a legnagyobbak (0,078-0,149), nyáron a legkisebbek (0,057-0,1). A durva tartományban a legnagyobb és legkisebb kitevőt nyárra (0,190) illetve télre (0,098) határoztam meg.

A szervetlen összetételből számított higroszkópos növekedés és a mért növekedés között megfigyelt összefüggésekből megállapítottam, hogy a városi aeroszol részecskék higroszkópos növekedését főként a szervetlen komponensek határozzák meg. Vidéki és háttéraeroszol esetében a mért és számított értékek között csak a nyári és téli időszakban volt jelentős különbség. A finom tartományban nyáron mindkét helyszínen negatív (a számított GF > mért GF), a durva mérettartományban pozitív volt az eltérés. Ezeket a mintákat a finom tartományban a kis TC (<22%) és nagy WSOC (>39%) hányad, valamint szervetlen aniontöbblet jellemezte. Ezzel szemben a durva tartományban kis TC (<28%) és nagy WSOC (>45%) hányad mellett jelentős

kationtöbbletet mutattam ki. A téli háttéraeroszol minták finom tartományában pozitív eltérést figyeltem meg, ehhez nagy TC (36-57 %) és kis WSOC (25-28 %) hányad, valamint szervetlen aniontöbblet társult. A durva tartományban a nyárihoz hasonló kis TC (22 %), nagy WSOC hányadot (47 %) és kationtöbbletet mértem.

Végül vizsgáltam az aeroszol részecskék higroszkópos tulajdonságának fénygyengítésre gyakorolt hatását. A látótávolság és a relatív nedvesség adatok alapján megállapítottam, hogy az RH növekedése az extinkciós együttható értékét exponenciálisan növeli. A Koschmieder-formulával meghatározott extinkciós együtthatókból kiszámítottam a gyengítési együttható növekedési faktorát, melynek átlagos értéke a vizsgált 23 állomásra 2,7-nek adódott. Az extinkciós együttható értékekből meghatároztam a részecskék növekedési faktor értéket RH=85%-on. A számított GF85% értékek 1,22-1,95 között változtak. Mérési adatainkat összahasonlítva a számított GF értékekkel megállapítható, hogy a számított értékek minden esetben felülbecsülték a tényleges értékeket.