Magnetické mikročástice kolem nás

Magnetické částice vyskytující se v okolním prostředí reagují různým způsobem na vnější magnetické pole. Nejintenzivněji reagují částice s uspořádanou magnetickou strukturou. V přírodě mezi ně patří zejména oxidy a některé sulfidy železa, z oxidů pak zejména magnetit (FeOFe₂O₃, resp. Fe₃O₄) a maghemit (α-Fe₂O₃). Tyto minerály se často vyskytují nejenom v horninách, ale také v půdách či v atmosféře. Mohou být jak přírodního původu, kdy pocházejí z mateční horniny, z vulkanických erupcí nebo z procesů probíhajících v půdách, tak i technogenního původu. Zejména spalování fosilních paliv v tepelných elektrárnách, ale teké v lokálních topeništích představuje významný zdroj ferimagnetických oxidů železa, které jsou jako součást úletových popílků emitovány do ovzduší a později po dopadu na zemský povrch pronikají do půd a vodního prostředí.

Oxidy železa se po léta studovaly zejména v paleomagnetismu – v oboru, který mapuje historii zemského magnetického pole. V době svého vzniku horniny obsahující oxidy železa zaznamenaly remanentní magnetizaci odpovídající intenzitě a směru zemského magnetického pole v té době. Tato informace slouží například též k rekonstrukci pohybu tektonických desek nebo k magnetickému datování vzniku sedimentů či archeologických struktur.

V poslední době se intenzivně studují magnetické oxidy železa technogenního původu, které se vyskytují v našem prostředí – v půdách, sedimentech a atmosféře. Jejich výskyt a specifické vlastnosti mohou odrážet především různé aspekty důležité pro naše zdraví. Například koncentrace magnetitu ve svrchních vrstvách půd často významně koreluje s koncentrací těžkých kovů škodlivých pro zdraví (například s koncentrací olova či kadmia). Tato korelace je dána společným zdrojem, přenosem a depozicí obou typů částic. Další specifické vlastnosti, jako například tvar a velikost částic, dokonalost jejich struktury apod., mohou být typické pro určité zdroje znečištění a lze je využít pro odhad podílu těchto zdrojů na znečištění prostředí.

V současné době se na našem pracovišti věnujeme několika aspektům environmentálního magnetismu. Vyšetřujeme migraci oxidů železa průmyslového původu v různých prostředích, které simulují půdní profily a přírodní srážkové režimy. Výsledky pak slouží jako referenční modelové chování atmosféricky deponovaných částic, které se obvykle koncentrují v hloubce kolem 5–8 cm pod povrchem, s výjimkou hrubozrných písčitých půd s velkou porozitou, v nichž mohou migrovat do mnohem větších hloubek. Koncentrace technogenních oxidů železa v půdách a sedimentech lze dobře zjišťovat magnetickou metodou a je podkladem pro mapování znečištění atmosférickým spadem. Podařilo se nám například zpřesnit znečištěné lokality v zájmových oblastech Krkonoš či Krušných hor. Další projekty se věnují podrobnému studiu rozdílů magnetických vlastností různých velikostních frakcí polétavého prachu (PM10, PM2,5 a PM1), odebraných v oblastech s různým stupněm znečištění. Výsledky pak mohou sloužit například k posouzení vlivu lokálních topenišť v malých sídlech či vlivu emisí z oceláren na celkově vysokém stupni znečištění ovzduší v průmyslové oblasti. V neposlední řadě vysoká citlivost magnetických metod umožňuje také odhadnout pravděpodobný výskyt částic například z erupce islandské sopky Eyjafjalla v dubnu 2010 v ovzduší v České republice či saharského prachu v ovzduší nad Středozemním mořem.

Tento výzkum je podporován v rámci projektu GAČR „Magnetická speciace atmosférických částic PM1, PM2,5 a PM10 z míst s různou kvalitou ovzduší či projektu GA AVČR „Dlouhodobé měření a analýza dynamiky magnetických částic atmosférického spadu v půdách”. Úzce při tom spolupracujeme s Centrem pro výzkum nanomateriálů Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, Českou zemědělskou univerzitou v Praze a Státním zdravotním ústavem v Praze a také se zahraničními partnery (například s Univerzitou Tübingen v Německu, Ústavem pro výzkum životního prostředí Polské akademie věd v Zabrze, Univerzitou v Lisabonu v Portugalsku apod.). Uvedené příklady představují v současnosti intenzivně studovanou problematiku, která má přímý aplikační potenciál.