Αιωρούμενα σωματίδια: Μικρά, αλλά άκρως επικίνδυνα

Η αλματώδης ανάπτυξη της τεχνολογία στα τέλη του 20^ου αιώνα συνοδεύτηκε από μια εκτεταμένη οικολογική καταστροφή στον πλανήτη μας. Η ατμόσφαιρα της Γης συνεχίζει μέχρι σήμερα να δέχεται μια επιβάρυνση από ρυπογόνους παράγοντες σε πολύ υψηλά επίπεδα. Τα αιωρούμενα σωματίδια, παρότι μικρά στο μέγεθος, είναι από τους πιο επικίνδυνους ατμοσφαιρικούς ρύπους έχοντας άμεσες επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και στα οικοσυστήματα, αλλά και επιπτώσεις πλανητικής κλίμακας, επηρεάζοντας το ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη και συμβάλλοντας στην κλιματική αλλαγή.

Τι είναι τα αιωρούμενα σωματίδια και σε ποιες κατηγορίες χωρίζονται

Αιωρούμενα σωματίδια (aerosols) καλούνται όλα τα στερεά αιωρήματα στερεών ή υγρών σωματιδίων, ή και των δύο, που μπορούν να αιωρούνται στην ατμόσφαιρα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Τα σωματίδια είναι συνδυασμοί πολλών μορίων, μερικές φορές παρομοίων, άλλες φορές διαφορετικών μεταξύ τους. Περιλαμβάνουν ιόντα, συμπλέγματα μορίων, κρυστάλλους πάγου, σκόνη, σωματίδια καπνού, σταγόνες βροχής, γύρη, κλπ. Ανάλογα με τις πηγές τους, τα αιωρούμενα σωματίδια χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τα πρωτογενή αιωρούμενα σωματίδια, που εκπέμπονται απευθείας στην ατμόσφαιρα ως ρύποι, και τα δευτερογενή αιωρούμενα σωματίδια, που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα από φυσικές ή χημικές διαδικασίες μετατροπής αερίων σε σωματίδια. Μερικά σωματίδια μπορούν να αντιδράσουν χημικά με αέρια της ατμόσφαιρας ή ατμούς και να σχηματίσουν νέες συνθέσεις.

Τα αιωρούμενα σωματίδια εμφανίζονται στην ατμόσφαιρα με διάφορες μορφές, εκ των οποίων οι πιο συνηθισμένες είναι οι εξής:

• Σκόνη: Στερεά σωματίδια σχετικά μεγάλου μεγέθους (D>1μm), που σχηματίζονται από διάβρωση ή κατακερματισμός στερεών υλικών.
• Ομίχλη: Ορατά υδροσταγονίδια σε διασπορά στην ατμόσφαιρα, συνήθως κοντά στο έδαφος.
• Κάπνα: Στερεά σωματίδια που προκύπτουν από συμπύκνωση ατμών ή ως αποτέλεσμα οξειδωτικών αντιδράσεων (D<1μm).
• Αχλύς: Μικρά σωματίδια (D<1μm) που αποτελούν μείγμα υδροσταγονιδίων, ρύπων και σκόνης και μειώνουν την ορατότητα.
• Νέφος: Συνδυασμός ομίχλης και καπνού.
• Καπνός: Μικρά σωματίδια (D>0,01μm) που προέρχονται από ατελή καύση, κυρίως άνθρακα, σε ικανή συγκέντρωση ώστε να είναι ορατά.
• Αιθάλη: Συσσώρευση σωματιδίων άνθρακα που δημιουργούνται από την ατελή καύση ανθρακικών ενώσεων.
• Εκνεφώματα από την επιφάνεια της θάλασσα (sea salt aerosols): Σχηματίζονται όταν ο άνεμος και τα κύματα εξαναγκάζουν φυσαλίδες αέρα να σκάνε στην επιφάνεια της θάλασσας.

Τα ατμοσφαιρικά σωματίδια είναι γενικά σωματίδια που το μέγεθός τους κυμαίνεται από λίγα νανόμετρα (nm) μέχρι 10 μικρόμετρα (μm) σε διάμετρο. Κάποια σωματίδια, όπως η σκόνη, η αιθάλη ή ο καπνός, είναι αρκετά μεγάλα και σκουρόχρωμα που μπορούν να παρατηρηθούν με γυμνό μάτι. Άλλα είναι τόσο μικρά που μπορούν να παρατηρηθούν μόνο με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.

Τα αιωρούμενα σωματίδια κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη διάμετρό τους σε PM₁, PM_2,5 και PM₁₀, δηλαδή με διάμετρο μικρότερη από 1μm, 2,5μm και 10 μm αντίστοιχα. Αυτός είναι και ο διαχωρισμός που έχει ευρέως επικρατήσει.

Πηγές αιωρούμενων σωματιδίων

Οι πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: i.) τις φυσικές πηγές και ii.) τις ανθρωπογενείς πηγές. Σε παγκόσμια κλίμακα υπερτερούν οι εκπομπές αερολυμάτων από φυσικές πηγές, ενώ σε τοπική κλίμακα αυτές από ανθρωπογενείς πηγές.

1. Φυσικές Πηγές:

   Οι εκρήξεις ηφαιστείων εκλύουν στην ατμόσφαιρα μεγάλα ποσά σωματιδιακής ύλης, τα οποία μπορούν να μεταφέρονται στην ατμόσφαιρα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι ανεξέλεγκτες δασικές πυρκαγιές τροφοδοτούν την ατμόσφαιρα με πληθώρα αέριων σωματιδίων, με τη μορφή καπνού, άκαυστων υδρογονανθράκων και ιπτάμενης τέφρας και είναι δυνατό να δημιουργήσουν νέφος το οποίο να προκαλέσει μείωση της ορατότητας και του ηλιακού φωτός σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από το σημείο της φωτιάς. Επιπλέον, δυνατοί άνεμοι, που συχνά συμβαίνουν σε πολλά μέρη του κόσμου, μετακινούν μεγάλες ποσότητες σωματιδιακής ύλης από το έδαφος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα για τη χώρα μας είναι η μεταφορά σκόνης από την έρημο της Λιβύης ή από τη Σαχάρα, που προκαλεί συχνά έντονη μείωση της ορατότητας. Ακόμα, οι ωκεανοί και οι θάλασσες είναι μια τεράστιας εμβέλειας φυσική πηγή αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς εκλύουν συνεχώς στην ατμόσφαιρα αερολύματα με τη μορφή σωματιδίων άλατος (NaCl), τα οποία είναι διαβρωτικά για τα μέταλλα και τις κατασκευές. Τέλος, φυσική πηγή αποτελεί και η βιογενής ύλη, η οποία περιλαμβάνει σωματίδια από συμπύκνωση οργανικών ενώσεων που εκπέμπονται από τα φυτά, όπως η γύρη.

   

2. Ανθρωπογενείς πηγές αιωρούμενων σωματιδίων:                                                                                                               Οι εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων που αποδίδονται σε ανθρώπινες δραστηριότητες προέρχονται, κυρίως, από τις εξής βασικές κατηγορίες: βιομηχανική δραστηριότητα και καύσεις ορυκτών καυσίμων (περιλαμβάνουν δευτερογενή αερολύματα τα οποία είναι προϊόντα αέριων ανθρωπογενών εκπομπών, όπως θειικά, νιτρικά, βαρέα μέταλλα και υδρογονάνθρακες μεγάλου μοριακού βάρους), κατασκευαστικά έργα (π.χ. σωματίδια σκόνης από ασφαλτοστρωμένους και μη δρόμου), παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (σωματίδια τέφρας και βαρέα μέταλλα), οικιακή θέρμανση (σωματίδια καπνού), απορρίμματα, γεωργία (π.χ. διάβρωση καλλιεργήσιμων εκτάσεων από τον άνεμο) και μέσα μεταφοράς. Ειδικά τα τελευταία αποτελούν τη βασική πηγή αιωρούμενων σωματιδίων στα αστικά κέντρα και τις μεγαλουπόλεις. Πιο συγκεκριμένα, τα μέσα μεταφοράς που κινούνται μέσω της καύσης diesel είναι υπεύθυνα σχεδόν για τα δύο τρίτα των συνολικών εκπομπών αιωρούμενων σωματιδίων από οχήματα.

Επιπτώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων

Τα αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα έχουν πολλές σημαντικές και ποικιλόμορφες επιδράσεις σε όλους τους τομείς του περιβάλλοντος. Πιο συγκεκριμένα, διασκορπίζουν και απορροφούν την ορατή ηλιακή ακτινοβολία περιορίζοντας την ορατότητα. Επηρεάζουν το κλίμα της Γης τόσο άμεσα, με τη σκέδαση και την απορρόφηση της ακτινοβολίας, όσο και έμμεσα, δρώντας ως πυρήνες για το σχηματισμό νεφών. Επιπλέον, καθορίζουν την ποιότητα του αέρα, επηρεάζουν την ατμοσφαιρική χημεία και αποτελούν κίνδυνο για την αναπνευστική υγεία στις μεγάλες συγκεντρώσεις που βρίσκονται στα αστικά κέντρα.

1. Επιπτώσεις στο ενεργειακό ισοζύγιο της Γης και στη διαμόρφωση του κλίματος:

   Τα αιωρούμενα σωματίδια στο κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας, την τροπόσφαιρα, επηρεάζουν το κλίμα με διάφορους τρόπους. Ορισμένα αερολύματα σκεδάζουν και απορροφούν μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας, μια ιδιότητα που τροποποιεί το ισοζύγιο ακτινοβολίας της Γης. Η σκέδαση από τα σωματίδια κάνει γενικά τον πλανήτη πιο ανακλαστικό, δηλαδή αυξάνει το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που επιστρέφει στο διάστημα από το σύστημα Γη-ατμόσφαιρα (λευκαύγεια-albedo). Άρα, όταν υπάρχουν στην ατμόσφαιρα τέτοια σωματίδια σε μεγάλες συγκεντρώσεις, φθάνει στην επιφάνεια της Γης λιγότερη ακτινοβολία κι επομένως αναμένεται ψυχρότερο κλίμα. Όταν τα αιωρούμενα σωματίδια απορροφούν μεγάλες ποσότητες της ηλιακής ακτινοβολίας έχουμε το αντίθετο φαινόμενο κι αναμένεται θερμότερο κλίμα. Η ισορροπία μεταξύ ψύξης και θέρμανσης εξαρτάται από τις ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτός είναι ο άμεσος τρόπος με τον οποίο τα σωματίδια μπορούν να επηρεάσουν το κλίμα.

   Τα αιωρούμενα σωματίδια, ιδιαίτερα αυτά που είναι υγροσκοπικά και έχουν αυξημένη διαλυτότητα στο νερό, όπως για παράδειγμα αυτά που περιέχουν ανόργανα άλατα (π.χ. NaCl), χρησιμεύουν ως πυρήνες συμπύκνωσης στη δημιουργία των νεφών. Αυξημένες συγκεντρώσεις τέτοιων αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα οδηγούν σε αυξημένη νεφοκάλυψη. Η αυξημένη συγκέντρωση πυρήνων συμπύκνωσης σημαίνει αυξημένο αριθμό σταγονιδίων στα νέφη. Ωσ αποτέλεσμα το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται και, επομένως,  καθυστερεί η εκδήλωση βροχόπτωσης και παρατείνεται ο χρόνος ζωής των νεφών στην ατμόσφαιρα. Τα νέφη ανακλούν μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας (αυξημένη λευκαύγεια-albedo), συνεισφέροντας κι αυτά σε μείωση της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας. Αυτός είναι ο έμμεσος τρόπος με τον οποίο τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να επηρεάσουν το κλίμα.

   

    

2. Επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία:              
   

   Τα αιωρούμενα σωματίδια έχουν άμεσες και χρόνιες επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό και εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος των σωματιδίων, τη σύστασή τους, τις οπτικές τους ιδιότητες και τους μηχανισμούς δημιουργίας τους. Είναι επιβλαβή για τους πνεύμονες, προκαλούν βρογχίτιδες, ερεθισμό των ματιών, δερματικές παθήσεις και αύξηση του αριθμού των θανάτων ιδιαίτερα όταν οι αιωρούμενες ουσίες είναι τοξικές. Τα αιωρούμενα σωματίδια ενοχοποιούνται για:

   • Αύξηση ευαισθησίας σε λοιμώξεις, λόγω εξασθενημένης άμυνας του οργανισμού
   • Φλεγμονές των αναπνευστικών οδών, οι οποίες οδηγούν σε εξασθενημένη και δυσχερή ανταλλαγή αερίων και υποξαιμία
   • Πρόκληση φλεγμονών στις κυψελίδες των πνευμόνων από πολύ μικρά σωματίδια, με απελευθέρωση ενδιάμεσων ουσιών που επιδεινώνουν ασθένειες των πνευμόνων και αυξάνουν την πηκτικότητα του αίματος
   • Επίσπευση συγκοπής καρδιάς σε ασθενείς με χρόνια καρδιακά νοσήματα, λόγω οξείας βρογχίτιδας ή πνευμονίας που προκλήθηκε από τα αιωρούμενα σωματίδια.
   • Η Ευρωπαϊκή Ένωση εκτιμά ότι τα επίπεδα των PM_2,5 είναι υπεύθυνα για την απώλεια περίπου 3.000.000 ετών ζωής στην Ευρώπη και 288,000 πρόωρων θανάτων ανά έτος, κυρίως λόγω αναπνευστικών και καρδιακών προβλημάτων

Πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για το άρθρο:

Διαδίκτυο

1. European Environment Agency, ανακτήθηκε από https://www.eea.europa.eu/, τελευταία επίσκεψη 27/02/2021.
2. U. S. Environment Protection Agency, ανακτήθηκε από https://www.epa.gov/, τελευταία επίσκεψη 27/02/2021.
3. Science Magazine, ανακτήθηκε από https://www.sciencemag.org/, τελευταία επίσκεψη 27/02/2021.
4. Wikipedia, the free encyclopedia, ανακτήθηκε από https://el.wikipedia.org/, τελευταία επίσκεψη 27/02/2021.
5. News and Articles on Science and Technology, ανακτήθηκε από https://phys.org/, τελευταία επίσκεψη 27/02/2021.

Βιβλιογραφία

1. Γεντεκάκης Ι., Ατμοσφαιρική Ρύπανση: Επιπτώσεις, έλεγχος και εναλλακτικές τεχνολογίες, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Πολυτεχνείο Κρήτης, Χανιά, 2010.
2. Vallero D.A., Fundamentals of Air Pollution, Fourth Edition, Academic Press is an imprint of Elsevier, Burlington, USA, San Diego, California, USA, London, UK, 2008.
3. Pandis S.N., Seinfeld J.H., Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, John Walley & Sons, New Jersey, 2006.