Exkurze do světa atmosférického aerosolu

Při cestě z Vlašimi do Pelhřimova vás několik kilometrů před příjezdem do obce Košetice zaujme nápadně vysoký stožár, vypínající se nad okolní krajinu (obr. 1). Nejedná se o žádný vysílač, nýbrž o součást měřicí infrastruktury Národní atmosférické observatoře Košetice. Ta zde již více než dvacet let pravidelně zaznamenává data o atmosférickém aerosolu, tedy o maličkých částečkách vznášejících se ve vzduchu.

Jaký má význam sledovat takovéto částice na řídce obydleném Pelhřimovsku, kde je třeba oproti centru Prahy vzduch v podstatě čistý? A musí aerosol vždy představovat znečištění způsobené lidskou činností? Pokud ne, jak se přirozeně do vzduchu dostává a jakou roli v atmosférických pochodech hraje?

Národní atmosférická observatoř Košetice z dronu. Stožár o výšce 250 m slouží k měření koncentrací vybraných složek atmosféry v různých výškách nad zemí.Snímek archiv CzechGlobe

Kouř z výfuku, zvířený prach nebo třeba lehký opar nad krajinou — to vše je aerosol. Jedná se o částice pevného nebo kapalného skupenství rozptýlené ve vzduchu, jejichž velikost se pohybuje v rozmezí jednotek nm až po 100 μm. Už z toho však pramení první úskalí výzkumu této složky atmosféry. Kdyby částice o velikosti 1 nm byla přirovnána ke komárovi, částice z druhého konce velikostního spektra by mohla být reprezentována například vzducholodí. Měřit a následně studovat najednou tak rozsáhlou množinu je složité, proto se aerosol kategorizuje do menších skupin. Základní je dělení na jemný a hrubý aerosol, skupiny dělí hranice zhruba 2,5 μm. Pro jemnější klasifikaci používáme ještě tzv. velikostní módy (nukleační, Aitkenův, akumulační, hrubých částic, obr. 2 a 3). Podle vzniku lze aerosoly rozdělit na primární (přímo emitované do atmosféry) a sekundární částice (vznikající z plynných prekurzorů bezprostředně v atmosféře).

Idealizované schéma velikostního rozdělení atmosférického aerosolu. Graf Petr Vodička, CC BY-SA 4.0Graf Petr Vodička, CC BY-SA 4.0

Mikroskopický snímek vzorku aerosolu z okolí elektrárny Tušimice (obarveno v počítači). Částice mají rozličné tvary, proto nastává otázka, jak uvádět jejich rozměr. Nejčastěji se uvádí tzv. aerodynamický průměr: Sledovaná částice má takový aerodynamický průměr jako koule o hustotě 1 g/cm3, která se silou gravitace usazuje stejnou rychlostí jako sledovaná částice.Snímek ČHMÚ

Každá velikostně definovaná skupina aerosolů má charakteristický způsob chování v atmosféře. Nejjemnější aerosol (velikost v řádech jednotek až desítek nm) vzniká reakcí prekurzorů, kterými jsou zejména oxidy síry a dusíku, amoniak a těkavé organické látky, přímo v atmosféře procesem zvaným nukleace, nebo je přímo emitován jako produkt nedokonalého spalování. Tyto částice důsledkem koagulace a kondenzace zvětšují svoji velikost. Vzniká tím skupina ultrajemných částic (pod 100 nm), která zahrnuje módy nukleační a Aitkenův. Složky těchto módů se dále srážejí a přecházejí do akumulačního módu, jehož částice vydrží v atmosféře až několik dní. Oproti tomu částice hrubého módu jsou generovány zejména mechanicky (např. resuspenze prachu, otěr pneumatik, zemědělství nebo pyl z rostlin).

Účinnost odstranění aerosolů z atmosféry závisí na jejich velikosti. Zatímco jemné částice jsou ze vzduchu odstraňovány vymytím či vypršením (tzv. mokrá depozice), částice hrubého módu jsou tak velké, že se usadí během několika hodin vlastní vahou (tzv. suchá depozice).

Jaká je běžná koncentrace aerosolových částic v atmosféře? Pro základní představu si pomozme přirovnáním: Průměrná roční koncentrace PM_2,5 (tedy částic do průměru 2,5 μm) v Košeticích je přibližně 14 μg/m³. Lipenská vodní nádrž má objem okolo 300 milionů m³. Předpokládejme, že v ní žije hejno zlatých rybek o celkové hmotnosti pouhých 4,2 kg. Koncentrace zlatých rybiček v přehradě by v takovém případě byla stejná jako koncentrace jemného aerosolu v atmosféře nad Košeticemi.

Poměrně nízké koncentrace aerosolových částic představují problém pro analýzu chemického složení aerosolu. Rutinně se proto určují vybrané skupiny látek, mj. je zaznamenáván tzv. uhlíkatý aerosol analyzovaný jako celkový uhlík (TC), jehož koncentrace lze stanovit termickým rozkladem vzorku. Metoda umožňuje určit, zda naměřený uhlík pochází ze sloučenin organických (OC), či zda se jedná o tzv. elementární uhlík (EC), který lze připodobnit k sazím. EC se dostává do atmosféry téměř výhradně ze spalovacích procesů, a to zejména při nedokonalém spalování fosilních paliv a biomasy. Produktem stejných procesů je rovněž OC, který však kromě toho vzniká i jako sekundární aerosol kondenzací a reakcemi těkavých organických látek (VOC). Tyto látky mohou být zcela přírodního původu, hojné jsou třeba terpeny, uvolňující se převážně z rostlin.

Zdroje aerosolu

Roční chod průměrných denních hodnot PM10, PM2,5, OC, EC [μg/m3], poměru OC/ EC a teploty [°C]. Zobrazené hodnoty jsou aritmetickým průměrem hodnot naměřených v každém roce měřicí kampaně (2013 až 2018) a jsou proloženy polynomem, který vyjadřuje hrubý roční vývoj daných veličin. Graf autořiGraf autoři

Odkud se aerosoly v atmosféře berou? V celosvětovém měřítku převažuje přírodní původ, zejména mořský aerosol, prach z pouští, částice z přírodních požárů nebo sopečných erupcí, případně výše popsaný sekundární organický aerosol (SOA). V okolí míst s výraznou lidskou aktivitou jsou nejmarkantnější zplodiny z vytápění, dopravy a průmyslu či prach z těžby nebo zemědělství. Tyto aerosoly souhrnně označujeme jako antropogenní.

Aerosoly v atmosféře jsou hlavní příčinou snížení viditelnosti. Průměrná dohlednost mimo velká města je ve střední Evropě zhruba 40–50 km. V ovzduší bez částic by byla dohlednost až 340 km. Sekundární aerosol tvořící se z terpenů nad lesnatými hřebeny Apalačských hor rozptyluje světlo nízkých vlnových délek a získává tak namodralou barvu. Díky ní získala jedna z částí Apalačského pohoří své jméno, Blue Ridge Mountains. Saharský prach, který může být transportován na tisíce kilometrů, naopak zbarví atmosféru v okrovém zákalu (obr. 4). Za vhodných povětrnostních podmínek ho můžeme pozorovat i v Česku (Vesmír 100, 206, 2021/4).

Saharský prach unášený přes moře na Iberský poloostrov. Snímek NASA ISS, volné dílo, CC0 1.0Snímek NASA ISS, volné dílo, Volné dílo, CC0 1.0

Schéma depozice částic v dýchacích cestách a plicích. Nejjemnější částice (PM2,5 a PM1) pronikají nejhlouběji.Ilustrace Lord Akryl, upraveno autory, Volné dílo, CC0 1.0

Aerosol má důležitou roli ve fungování zemských systémů: částice aerosolu jsou kondenzačními jádry pro vznik dešťových kapek a oblaků, čímž nepřímo ovlivňují klima. Vliv na podnebí mají aerosoly také přímý, neboť aerosol v závislosti na chemickém složení buď rozptyluje sluneční paprsky, čímž způsobuje ochlazení, nebo absorbuje, tedy ohřívá okolní atmosféru. Hlavní absorbující složkou je EC, jež však tvoří minoritní část (5–20 %) celkového množství atmosférického aerosolu. Intenzita vlivu aerosolu na klima je tudíž celkově ochlazující, přesné porovnání vůči CO₂ ale není známo.

Vliv aerosolu na zdraví člověka se odvíjí jak od chemického složení, tak od velikosti jeho částic. Velké částice (třeba zvířený prach) se zachytí v horních cestách dýchacích a hrtanu, které jsou na jejich odstranění připraveny obměňující se vrstvou hlenu. Ultrajemné částice však pronikají až do plic, kde se ukládají nebo přecházejí do krve (obr. 6). Z hlediska složení představují hrozbu zejména karcinogenní a jinak toxické látky (např. benzo[a] pyren, těžké kovy atp.). Zdrojem rizikového aerosolu jsou proto především spalovací procesy, při nichž se uvolňují jemné částice často obsahující karcinogenní sloučeniny.

Změny v průběhu roku

Na území ČR se nachází poměrně hustá síť měřicích stanic sledujících kvalitu ovzduší. Jednou z nich je observatoř Košetice Českého hydrometeorologického ústavu. Byla založena roku 1988 a tvoří jádro Národní atmosférické observatoře Košetice. Ta díky svým technickým kvalitám, zejména 250 m vysokému vzorkovacímu stožáru (postavenému v roce 2013), nabízí ideální podmínky pro běžná i experimentální měření koncentrací látek v atmosféře. Jedná se o tzv. pozaďovou stanici – měřicí lokalitu, která není přímo ovlivněna místními zdroji. Naměřené koncentrace aerosolu díky tomu reprezentují kvalitu neznečištěného¹⁾ vzduchu ve střední Evropě.

Podívejme se na data z měření uhlíkatých aerosolů, která byla v Košeticích naměřena mezi lety 2013–2018.²⁾

Soustřeďme se nejdříve na vývoj koncentrací EC a OC. Na první pohled je patrné, že jejich hodnoty jsou nejvyšší v průběhu zimy a v dalších měsících klesají. Odchylku pozorujeme na přelomu měsíců dubna a května, tedy v době, kdy se v celé ČR pálí čarodějnice. Za tímto výkyvem stojí tradiční vatry (viz vesmir.cz/carodejnice). Koncentrace poté klesají až k začátku léta, kde je pozorovatelný opětovný nárůst. S nástupem podzimu, a tedy i topné sezony, koncentrace opět stoupají (obr. 5).

Jelikož jsou koncentrace nejvyšší v nejstudenější části roku, snadno nás napadne, že hlavním zdrojem naměřených částic bude vytápění domácností. Určeme proto hodnotu korelačního koeficientu mezi hodnotami OC a vnějšími teplotami naměřenými v zimě: korelační koeficient vyšel záporný (–0,5). Jinými slovy, když venku klesala teplota, vzrůstala potřeba vytápění a stoupaly často rovněž hodnoty OC. To by mohlo tuto hypotézu potvrzovat. Zaměřme se i na pozorovaný letní nárůst OC: zde nepřipadá domácí vytápění v úvahu, korelační koeficient mezi teplotou a OC je navíc kladný (0,4). Jako nejpravděpodobnější důvod nárůstu se nabízí tvorba sekundárního organického aerosolu (SOA), který se za teplého a slunečného počasí tvoří nad okolní krajinou. V souladu s vyslovenou hypotézou je rovněž vývoj poměru OC/EC. V chladnějších částech roku je podíl EC, jehož hlavním zdrojem jsou spalovací procesy, vyšší než v teplém létě, kdy roste poměrné zastoupení OC, pravděpodobně tvořeného převážně SOA.

Vývoj ročních poměrů OC/EC naše hypotézy potvrzuje, chod tohoto ukazatele odpovídá očekávání. Hlavním činitelem způsobujícím zvýšenou zimní koncentraci OC a EC v českém ovzduší jsou emise z vytápění. OC navíc silně koreluje s PM₁₀ (0,7) i PM_2,5 (0,7, korelace vyčíslená pro data z celé měřicí kampaně), takže zdroje PM a OC jsou pravděpodobně podobné. Kromě antropogenních aktivit spojených s vytápěním se do koncentrací aerosolu v zimním období promítají také rozptylové podmínky zejména rychlost větru a výška tzv. mezní vrstvy atmosféry, tedy vrstvy vzduchu nad povrchem, která s ním přímo interaguje. Korelační koeficient mezi OC a rychlostí větru je pro zimu –0,6, pro celý rok –0,3. Např. pokles koncentrací pozorovaný v prosinci proto může souviset se zaznamenanou statisticky nejvyšší rychlostí větru.

Můžeme tedy říci, že koncentrace sledovaných látek je řízena řadou procesů, které od sebe nelze jednoduše oddělit. Zejména v zimě je kvalita i kvantita aerosolu na košetické stanici ovlivňována vytápěním, v letním období je zase výrazná biogenní aktivita podporující vznik sekundárních aerosolů. To vše je dále ovlivněno meteorologickými podmínkami a také dálkovým transportem polutantů.

Ještě než ukončíme naši exkurzi a rozjedeme se od Košetic dále k Pelhřimovu, zasaďme naše poznatky do širšího kontextu. Ukázalo se, že množství i složení aerosolu v jednom z nejřidčeji osídlených regionů ČR souvisí s lidskou aktivitou a že se postupně stírá hranice mezi lidským a přírodním. Jde o další z ukazatelů toho, do jaké míry je česká krajina ovlivňována člověkem.

Článek vychází s finanční podporou Ústavu chemických procesů AV ČR .