Növekedési faktorok

A különböző helyszínekről és időszakból származó aeroszol minták higroszkópos növekedésének értékeit a részecskeméret függvényében határoztam meg.

9. táblázat: Az aeroszol minták átlagos növekedési faktor (GF_86%) értékei a részecskeméret alapján.

Részecske

méret Budapest K-puszta Tihany

A 9. táblázat a 86%-os relatív nedvességre vonatkozó növekedési faktor értékeit mutatja be a részecskeméret függvényében. Az irodalmi adatokkal való összevetés céljából a továbbiakban a 86%-os relatív nedvességen meghatározott, a már az 3.2. fejezetben említett módon átszámított növekedési faktor értékeket mutatom be.

Nagyvárosi aeroszol

Méréseink alapján kimutattuk, hogy Budapesten az aeroszol részecskék RH=86%-on mért növekedési faktor értékei a növekvő részecskemérettel nem változnak jelentősen. A 14. ábrából kitűnik, hogy a növekedési faktor értéke egyik mérettartományban sem haladja meg az 1,2-es értéket, vagyis a részecskék minden mérettartományban a kevésbé higroszkópos csoportba (lásd.

1.3. fejezet) sorolhatók, hasonlóan más városi aeroszol mintákból származó megfelelő adatokkal (Zhou et al., 2000). Covert et al. (1991) szerint a hamburgi mintákban az RH=86%-on mért növekedési faktor értéke 1,06-1,1 között változik. Kontinentális, szennyezett aeroszol esetén a mért értékek a hidrofób részecskékre jellemző GF90%=1-1,3 intervallum között változik. (Carrico et al., 2005). Väkevä et al. (1998) Helsinkiben gyűjtött aeroszol mintákból, a növekedési faktor értékét 1,1-nek állapították meg, melyet az antropogén eredetű oldhatatlan részecskék jelentős mennyiségével magyaráztak. Kotchenruther et. al. (1998) a frissen képződött koromrészecskék vízfelvételét vizsgálta, melynek eredményeként 1,1 körüli GF80% értéket mértek, valamint kimutatták, hogy az aeroszol részecskék az öregedés során növelik a vízfelvevő képességüket (GF80%>1,3). Ezzel szemben Magi et al., (2003) azonos mérési technikával eltérő eredményeket kaptak, mely szerint az aeroszol részecskék az öregedési folyamatok során csökkentik a vízfelvevő képességüket, a frissen keletkező korom részecskék GF80% értéke 1,3 körüli.

14. ábra: A városi aeroszol minták 86%-os relatív nedvességen meghatározott átlagos növekedési faktor értékei a részecskeméret függvényében.

A szervetlen komponensek – főként a nitrát – koncentációjának méreteloszlása, valamint a WSOC/TC arányt figyelembe véve, eredményeim azt mutatják, hogy a frissen keletkezett városi aeroszol részecskék hidrofób tulajdonságúak. Eredményeimet más városi aeroszol mérések is alátámasztják, miszerint a korom részecskék hidrofób tulajdonságúak (GF80-86%=1,1-1,2).

Vidéki aeroszol

A vidéki aeroszol minták átlagos G(86%) értékeinek méreteloszlását a 15. ábrán láthatjuk. A nyári minták kivételével megfigyelhető, hogy a lokális minimum és maximum értékek ellenére a növekedési faktor értéke a részecskemérettel kis mértékben növekszik; a 0,1-0,25 µm átmérőjű részecskék higroszkópos növekedési tényezője 1,2 körüli érték A nyári időszakból származó minták növekedési faktor értékei a 250 nm-nél megfigyelhető maximumtól a méret növekedésével csökkenek. Összességében, az 500 nm alatti részecskék a kevésbé higroszkópos csoportba tartoznak, míg 500 nm-nél nagyobb részecskék vízfelvétele jelentősebb. A kevésbé higroszkópos jelleg egyik lehetséges oka lehet, hogy a felületen képződő szerves film akadályozza a részecskék növekedését, másrészt az égésből származó elsődleges hidrofób részecskék (pl. korom) ebben a mérettartományban dúsulnak fel (Zhou et al., 2000).

15. ábra: A vidéki aeroszol minták 86%-os relatív nedvességen meghatározott átlagos növekedési faktor értékei a részecskeméret függvényében az egyes évszakokban.

higroszkópos növekedéséhez vezet. Ebben a mérettartományban továbbá számos olyan aeroszol részecske található, amelyek a légkörben már hosszú idő töltöttek el (öregedett aeroszol) (Rogers et al., 1991; Kotchenruther and Hobbs, 1998). A tavaszi és téli aeroszol minták szinte azonos higroszkópos viselkedésűek. Az őszi mintáknál a GF a méret növekedésével nő. Ezen a mérőhelyen a durva részecskék nedvszívó képessége jelentős, amelyet feltételezhetően az őszi mintákban kimutatott nagy mennyiségű Na⁺ és NO3- ionok okozzák. Nyáron a durva részecskék kevésbé higroszkópos jelleget mutatnak. Ferron et al. (2005) megfigyelései szerint a vidéki aeroszol mintákban a GF86% értékek az 50-250 nm-es tartományban a méret növekedésével emelkednek, ami jó egyezésban van saját eredményeinkkel.

Háttéraeroszol

Az 16. ábrán a K-pusztán gyűjtött aeroszol részecskék átlagos növekedési faktor értékeit mutatom be, a részecskeméret függvényében. A nyári minták finom tartományában mért 1,4 feletti növekedési faktor értékek a mintákból kimutatható jelentős mennyiségű ammónium- és szulfátionok jelenlétével magyarázhatók (lásd: 7. ábra). Látható, hogy a 0,25-0,5 µm átmérőjű részecskéknél három évszakban a higroszkópos növekedés minimumát figyeltük meg. A szerves és szervetlen vegyületek megoszlása ebben a tartományban tavasszal jellemzően 50-50%. Ősszel illetve télen rendre 40-60% illetve 60-40% az érték (lásd. 2. melléklet). Ferron et al. (2005) háttéraeroszol mintákat vizsgálva, megállapították, hogy jelentős évszakbeli különbség a növekedési faktor értékek között az 50 és 250 nm mérettartományban nem mutatható ki. Az ellentmondás feloldható, ha figyelembe vesszük, hogy az idézett szerzők eredményei jóval kisebb részecskékre vonatkoznak, mint a saját méréseim.

16. ábra: A háttéraeroszol minták 86%-os relatív nedvességen meghatározott átlagos növekedési faktor értékei a részecskeméret függvényében az egyes évszakokban.

Az ábrából az is kitűnik, hogy az aeroszol részecskék növekedési faktor értékei a 0,5-1,0 µm-es mérettartományban nőnek. A higroszkópos növekedésnek ez az eloszlása a kondenzációs és a cseppmódusban a háttéraeroszol esetében említett okokra vezethető vissza. A durva tartományban (d=2-16µm) a 86%-os növekedési faktor minden évszakban 1,2-1,3 közötti érték. Ez arra utal, hogy a durva részecskék forrása, és a kikerülő részecskék kémiai jellege egész évben hasonló.

A 16. ábrán megfigyelhető, hogy a téli és tavaszi aeroszol minták növekedési faktorai hasonlóak. Az őszi minták az egész mérettartományban csak kis mértékben higroszkóposak. A GF86% értékei nyáron a finom tartományában jelentősen nagyobbak, mint a többi évszakban. Ezek alapján az a következtetés vonható le, hogy bár számos közös jellemzőt találunk a növekedési faktor méreteloszlásában az évszakok között K-pusztán, a higroszkópos növekedés mind az évszak, mind a részecskeméret függvényében változik.

Irodalmi adatok alapján, a háttéraeroszol minták növekedési faktor értékei széles skálán mozogtak. Zhou et al. (2000) Angliában háttéraeroszol mintákat vizsgálva megállapították, hogy az általuk mért, az Aitken-módusba tartozó részecskék (25-73 nm) kevésbé oldhatóak, mint az akkumulációs tartomány részecskéi (109-360 nm). Azonban a GF90% értékei a részecskék méretével növekedett (1,34-1,84).

4.5 Hiszterézis

Az aeroszol részecskék higroszkópos viselkedésének vizsgálata során, a csökkenő relatív nedvesség függvényében bekövetkező tömegváltozást is mértem. A hiszterézis jelenség (lásd: 1.2 fejezet) vizsgálata fontos, mert azok a részecskék, amelyek a RH csökkenésével nem vesztik el a teljes felvett vízmennyiséget, módosítják a részecskék méret szerinti eloszlását, és a tömegkoncentráció növekedését eredményezik.

Annak ellenére, hogy jelentős mértékben módosíthatja az optikai tulajdonságokat és a tömegkoncentrációt, a hiszterézis mértékéről kevés információ áll a rendelkezésünkre. Az aeroszol részecskék hiszterézis jelenségét két példán mutatom be (lásd 17. ábra).

Mindkét példa esetében megfigyelhető, hogy a csökkenő RH értékek mellett a részecskék növekedési faktor értéke eltérő ütemben csökken ugyan, de nem éri el a kiindulási száraz állapotot még 30%-os RH értéken sem. Vagyis, ha az aeroszol részecskék nagyobb relatív nedvességű környezetbe kerülnek, majd csökken a környezet relatív nedvessége a csökkenés során a részecskék nem adják le az általuk felvett víz teljes mennyiségét (visszatartott víz). Az általam vizsgált aeroszol mintákra eltérő mértékben ugyan, de minden mérettartományban, helyszínen, illetve évszakban jellemző a hiszterézis.

A hiszterézis jelenségét a kiindulási száraz tömeg, valamint a vízfelvételt és a dehidratációt követően RH=30%-on meghatározott tömegek összehasonlításával vizsgáltam. Az aeroszol mérések során kevés esetben határozható meg a részecskék által felvett víz mennyisége. Ezen kívül a részecskék vízfelvétele nagyban függ a minta összes tömegétől is. Ezért a visszatartott víz mennyiségét a kiindulási, száraz tömeghez (RH=30%) viszonyítottam. A mérések arra az eredményre vezettek, hogy csökkenő relatív nedvesség esetén RH=30%-on minden esetben nagyobb a minta tömege, mint a nedvesítés előtt. Az adatok összefoglalását a 10. táblázat tartalmazza.

10. táblázat: Az aeroszol részecskék által átlagosan visszatartott víz mennyisége a kiindulási száraz tömegre vonatkoztatva (µg víz/1µg száraz aeroszol)

1 µg minta által RH=30%-on visszatartott víz mennyisége (µg) Budapest Tavasz 0,31±0,04 0,15±0,06 0,24±0,07

Tavasz 0,45±0,17 0,36±0,30 0,41±0,11 Tihany

Tél 0,46±0,11 0,55±0,34 0,52±0,14

Tavasz 0,97±0,19 0,49±0,29 0,76±0,44 Nyár 0,47±0,05 0,41±0,22 0,45±0,09

Ősz 0,36±0,42 0,21±0,09 0,29±0,23

K-puszta

Tél 0,24±0,04 0,72±0,25 0,64±0,37

A táblázatban közölt adatok alapján megállapítható, hogy a részecskék helyszíntől és évszaktól függően képesek vizet visszatartani abban az esetben, ha a környezetükben előfordul 100% körüli RH érték. Mivel a részecskék vízoldható hányada ezen az RH értéken biztosan oldatcseppet alkot, feloldódhat a részecskéken előforduló szerves bevonat és ez a többkomponensű oldatcsepp kezd el kristályosodni a csökkenő relatív nedvességgel. Santarpia et al. (2004) TDMA készülékkel

vizsgálták 160 és 320 nm-es, texasi aeroszol részecskék hiszterézisének mértékét. Méréseik alapján, a két részecskeméret hiszterézisében mérhető különbség elhanyagolható. A méréseim során hasonló viselkedést figyeltem meg, annak ellenére, hogy a kondenzációs és cseppmódus részecskéi más-más összetételűek, a részecskék hiszterézisében nem figyeltem meg jelentős különbséget. Ellenben a finom és durva mérettartomány között az eltérés már nem elhanyagolható.

Emiatt az adatokat csak a finom és durva tartomány szerint csoportosítottam (lásd 10. táblázat).

A 10. táblázat adatai szerint, a nagyvárosi (Budapest) aeroszol mintákban a legkevesebb az 1 µg száraz tömegre jutó visszatartott víz mennyisége az egész mérettartományt tekintve. Ezekből az adatokból és a növekedési faktor értékekből, egyértelműen arra következtethetünk, hogy a nagyvárosi aeroszol részecskék hidrofób tulajdonságúak, és az általuk felvett kis mennyiségű víz nagy részét a dehidratáció során el is vesztik. Modell kísérletek alapján (Hansson et al., 1998) a NaCl részecskék a hiszterézis során egyre kevesebb vizet tartanak vissza, a hozzáadott szerves komponens mennyiségének növelésével. Ezt a tendenciát a méréseim során nem tudtam kimutatni, ami az aeroszol részecskék komplex összetételével magyarázható. Más modellvegyületekkel végzett mérések azt mutatják, hogy a szerves savak Na-sói esetében kis mértékű hiszterézis mutatható ki, szemben a tiszta szerves vegyületekkel (Peng et al., 2001).

A vidéki aeroszol mintáknál a finom mérettartományban nem tapasztalható jelentős eltérés a két évszak között. A téli minták durva frakciója kal több, a tavaszi durva frakció ~20%-kal kevesebb vizet volt képes visszatartani, mint a finom mérettartomány részecskéi. A háttér- és vidéki aeroszol esetében az évszakok között jelentős a különbség. A tavaszi háttéraeroszol minták finom mérettartománya közel kétszer annyi vizet képes visszatartani, mint a vidéki aeroszol azonos mintái. A téli időszakban ezzel ellentétes viselkedés figyelhető meg. A durva tartományban csak a téli minták között figyelhető meg jelentős különbség, a háttéraeroszol esetében 0,72 µg víz/µg száraz tömeg, a vidéki aeroszolban 0,55 µg víz/µg száraz tömeg volt a víz mennyisége.

A háttérlevegőben gyűjtött aeroszol finom részecskékre jellemző, hogy a tavasz-nyár-ősz-tél sorrendben csökken az RH=30%-on 1 µg száraz aeroszol által megkötött víz mennyisége, amely rendre 1,25; 1,14; 1,11; 1,04 tömegnövekedési faktor értéket jelent. Az évszakok között a

1-1,05-ös GF faktor értékeket eredményezetett, ami jóval kisebb érték, mint a dolgozatban közölt eredményeim.

Összefoglalva, a három különböző környezetben mért aeroszol közül, a városi levegőben lévő részecskék tartják meg legkevésbé a légkörből felvett vízmolekulákat a hiszterézis jelensége miatt. De még így is mintegy 24%-kal felülbecsülhető az összes aeroszol tömegkoncentrációja. Az aeroszol részecskék vízvisszatartó képessége, az eltérő kémiai összetétellel magyarázható. A kristályosodás során kialakuló részecskék kémiai összetételéről, főként a szerves vegyületekre vonatkozó információink hiányosak.

Mérési eredményeim alapján becsülhető, hogy egyes helyszíneken, évszakokban, illetve mérettartományokban mennyi lehet az átlagosan visszatartott víz mennyisége, vagyis számítható egy tényleges száraz aeroszol tömegkoncentráció. Az általam meghatározott értékek természetesen csak abban az esetben használhatók a víztartalom becslésére, ha az aeroszol részecskék olyan körülmények közé kerültek, ahol a relatív nedvesség megközelítette a méréseink során alkalmazott maximális RH értéket. Ez a feltétel azonban minden évszakban teljesülhet, még a nyári időszakban is, amikor is az éjszakai illetve hajnali órákban a környezet relatív nedvesség értéke elérheti vagy meghaladja a 95%-ot.

4.6 A kémiai összetétel és a részecskék vízfelvétele közötti kapcsolat