14.01.2022

Zanieczyszczenia powietrza przed i w trakcie pandemii. Kompleksowe badania pracowników WFiIS


Walka z zanieczyszczeniami powietrza to wielkie wyzwanie współczesności. Niezmiernie pomocna w tych zmaganiach jest znajomość przeciwnika, a więc dane o stężeniu, składzie oraz źródłach pochodzenia szkodliwych substancji. Tego typu informacje zbiera i opracowuje m.in. zespół naukowy pod kierownictwem dr hab. Lucyny Samek, prof. AGH, z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej. W ramach grantu uczelnianego naukowcy prowadzą kompleksowe badania dotyczące zmian w charakterystyce zanieczyszczeń pyłowych powietrza oraz ich źródeł emisji przed i w trakcie pandemii COVID-19. Analizy takie stanowią nowość w tej części Europy.

Poziom zanieczyszczeń środowiska na świecie wciąż jest bardzo wysoki. Dotyczy to także Polski, w której dużym problemem okazuje się zwłaszcza skala zanieczyszczeń powietrza. Są one przyczyną zarówno stanów zapalnych czy alergii, jak również wielu tzw. chorób cywilizacyjnych, związanych głównie z układem oddechowym oraz układem sercowo-naczyniowym. Szczególnie niebezpieczna jest tutaj frakcja drobna PM2.5, zawierająca cząstki o średnicy aerodynamicznej nieprzekraczającej 2,5 µm, które wnikają do płuc i krwi, wywołując przy tym groźne schorzenia. Poza stężeniem ważny jest jednak też skład chemiczny pyłu, decydujący o jego właściwościach.

– Pyły w ok. 40% składają się z frakcji węglowej, w skład której wchodzi węgiel organiczny oraz węgiel elementarny, a zatem tzw. Equivalent Black Carbon (e-BC), który powstaje w wyniku niecałkowitego spalania paliw. W pyle znajdują się również nieorganiczne aerozole wtórne, czyli np. siarczany bądź azotany amonu, stanowiące od 20–30%. Kolejnym składnikiem są natomiast pierwiastki (od 4–10%), a następna część to pozostałe jony oraz materia mineralna – prezentuje skład pyłu prof. Lucyna Samek.

Problem badawczy

W odpowiedzi na zbyt wysoki poziom zanieczyszczeń ustalane są normy, wyznaczające dopuszczalne wartości stężeń szkodliwych substancji. Tego typu rekomendacje wprowadziła dla przykładu Światowa Organizacja Zdrowia i Agencja Ochrony Środowiska Unii Europejskiej, która wyznaczyła średnioroczną dopuszczalną wartość stężenia frakcji PM2.5 na poziomie 20 µg/m3, począwszy od 2020 r. Aby dostosować się do tych norm, państwa i miasta podejmują działania, mające na celu ograniczenie emisji zanieczyszczeń. W Krakowie, który jest szczególnie dotknięty problemem pyłów, we wrześniu 2019 r. wprowadzono m.in. zakaz spalania węgla oraz drewna.

Wspomniane wyżej prawo może stanowić jeden z istotnych czynników, mających wpływ na modyfikacje charakterystyki zanieczyszczeń powietrza na terenie małopolskiej miejscowości w dwóch ostatnich latach. Drugim takim czynnikiem może być pandemia COVID-19 i powiązane z nią lockdowny, które rozpoczęły się niedługo po wprowadzeniu zakazu. Dysponując próbkami pobranymi na uniwersytecie w roku akademickim 2018/2019 oraz 2020/2021, naukowcy z AGH podjęli się dokładnej analizy zmian w stężeniach i składzie zanieczyszczeń powietrza w mieście, jakie mogły się pojawić między wymienionymi okresami wskutek działania obu tych czynników.

Gruntowna analiza

W ramach projektu pracownicy uczelni prowadzą bardzo kompleksowe badania, które nie tylko pozwoliły wyznaczyć skład oraz stężenie poszczególnych elementów w pyle, lecz również źródła ich emisji. Cały proces badawczy rozpoczął się na dachu budynku D-10, gdzie znajduje się stacja, w której naukowcy pobierali próbki zanieczyszczeń. Aby określić stężenie pyłu w mikrogramach na metr sześcienny, jego masę, którą uzyskano poprzez zważenie filtrów przed pobraniem i po pobraniu, dzielono przez objętość powietrza, które przypłynęło w ciągu 24 godz. przez próbnik. Następnie filtry były przenoszone do laboratorium, gdzie poddawano je dokładnym badaniom.

Filtr z osadzonym zanieczyszczeniem i dla porównania filtr czysty; źródło: Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki

Kolejne analizy miały na celu wyznaczenie dokładnego składu pyłu i stężeń konkretnych substancji. Pierwszym krokiem było zastosowanie metody fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją energii, które pozwoliło wyznaczyć stężenie aż 21 pierwiastków. W następnym etapie określono natomiast stężenie e-BC, a zatem węgla pierwiastkowego, który pochłania światło od ultrafioletu do podczerwieni. W tym celu wykorzystano nowoczesny spektrometr, który zespół badawczy pozyskał dzięki środkom z projektu Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej. Na Wydziale Energetyki i Paliw – przy użyciu chromatografu jonowego – wyznaczono zaś stężenie jonów rozpuszczalnych w wodzie.

Stanowisko w laboratorium na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej; źródło: Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki

Na podstawie otrzymanych wyników można było stwierdzić, że stężenie poszczególnych pierwiastków między analizowanymi okresami nieco się zmniejszyło, z kolei stężenie e-BC miało zmienność sezonową z dwukrotnie wyższymi stężeniami w okresie zimowym w porównaniu do okresu letniego. Na tym jednak interdyscyplinarne analizy naukowców z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej się nie skończyły. Pozyskane w laboratorium informacje zebrano bowiem w jednym arkuszu kalkulacyjnym, który później wprowadzono do programu statystycznego, wykorzystującego tzw. metodę dodatnich współczynników – PMF (ang. Positive Matrix Factorization). Tak oto zidentyfikowano rodzaj i udział źródeł emisji w masie pyłu.

– Wszystkie dane z chromatografii jonowej, z fluorescencji rentgenowskiej i z transmisji światła zbieramy w jednym pliku Excel. W każdym takim arkuszu kalkulacyjnym mamy podaną zarówno wartość stężenia poszczególnych składników pyłu, jak i niepewność tych stężeń. Takie informacje wprowadzamy następnie do programu statystycznego, działającego według metody PMF, który pozwala nam zidentyfikować źródła – tłumaczy prof. Lucyna Samek.

Praktyczne rezultaty

Dzięki pomocy programu statystycznego naukowcy z AGH byli w stanie zamodelować i zidentyfikować źródła zanieczyszczeń powietrza, a także określić, w jaki sposób zmienił się ich udział w roku akademickim 2018/2019 w porównaniu do roku akademickiego 2020/2021. Dane dotyczące zmian w zanieczyszczeniach powietrza otrzymane przez zespół badawczy pozwalają dostosowywać ograniczenia emisji do aktualnie panujących warunków. Mogą one jednocześnie stanowić bazę dla planów Urzędu Miasta Krakowa czy Urzędu Marszałkowskiego Województwa Małopolskiego, zmierzających do zredukowania poziomu szkodliwych substancji w atmosferze.

***

Projekt Zmiany w charakterystyce zanieczyszczeń pyłowych powietrza oraz ich źródeł emisji przed i w trakcie pandemii COVID-19 finansowany jest z grantu uczelnianego (konkurs System grantów uczelnianych na prace badawcze realizowane z udziałem doktorantów – Działanie 4), w ramach projektu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”, AGH 2021–2023.