Чем меньше диаметр пыли, тем она опасней. Мелкодисперсная пыль диаметром от 1 до 10 мкм опасна, тем что может проходить через биологические барьеры и попадать прямо в кровь. Даже если пыль стерильна, она может провоцировать заболевания сердечно-сосудистой и дыхательной системы. Как правило до стерильности, особенно в крупных городах – далеко поэтому вместе с пылью в организм попадает масса всего что на ней осело причиняя еще бОльший вред здоровью.

Рекомендую прочитать статью про влияние пыли на здоровье. Интересно и поучительно написано от производителя очистителей воздуха Тион на хабре. Я постараюсь не повторяться.

Природные источники пыли

Природных источников довольно много, и зачастую сложно провести грань где природный источник а где антропогенный.

  • Эрозия почвы и ветер который обеспечивает транспортировку этой пыли. Идеальным источником такой пыли являются пустыни Северной Африки, согласно многим исследованиям африканская пыль, является причиной превышений допустимых значений в Европе.
  • Морские соли которые распыляются и захватываются ветром и попадают в воздух.
  • Вулканы. Извержения вулканов и другие сейсмологические происшествия.
  • Стихийные пожары
  • Биологические аэрозоли (в основном споры и пыльца)
  • Вторичные аэрозоли образующиеся при реакции летучей органики в атмосфере
  • Вторичные аэрозоли образовавшиеся из осевшей пыли, например ветер поднимающей пыль вдоль дороги. В этом случае очень сложно отделить природные источники от антропогенных.

Подробней можно ознакомиться с источниками и их вкладами на сайте Europen Environment Agency

Небольшое отступление про пожары

Лесной пожар

Лесной пожар

Из всех источников, мне наиболее интересны пожары. Вулканов у нас не особо, морские соли и почвы – скучно. А пожары случаются постоянно.

Пожары как в лесных, так и в сельскохозяйственных районах (но только “стихийные” пожары относятся к природным источникам пыли) служат постоянным источником загрязняющих веществ в атмосфере. Газовые составляющие, такие как метан (СН4), монооксид углерода (СО), диоксид углерода (СО2), диоксид серы (SO2) и оксиды азота (NO*, NO + NO2). Лесные пожары приводят к большим концентрациям аэрозолей которые попадают в атмосферу и включают углеродные виды (элементный и органический углерод) и биогенные тяжелые металлы (включая, но не ограничиваясь – Fe, Mn, Cd, Cu, Pb, Cr и Ni). Растворимые неорганические вещества, такие как сульфаты, нитраты, аммоний и хлориды, обнаруживаются в выбросах от огня и образуют частицы пыли при реакции с газами получающимися в процессе горения.

Сильные, турбулентные ветры в зонах пожаров могут вносить значительное количество пылевых частиц в свободную тропосферу, которые впоследствии могут быть перенесены на тысячи километров с дымом. Аэрозоли, полученные непосредственно при лесных пожарах оказывают различное влияние на качество воздуха и климата. Например, поглощающие аэрозоли, такие как сажа от пожаров, усиливают эффект полупрямой, который влияет на облачные и атмосферные градиенты, особенно когда поглощающие аэрозоли находятся над облаками.

Кроме того, гигроскопичные органические аэрозоли, сульфаты и нитраты могут позволить аэрозолям служить ядрами при конденсации облаков, тогда как минеральная пыль и черный углерод являются эффективными ледяными частицами при температурах ниже нуля. Загрязнители ли от пожаров также серьезно влияют на качество воздуха и могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье. Например, дымовые шлейфы от лесных пожаров связаны с детской смертностью , астмой и различными респираторными заболеваниями и болезнями . Эти эффекты дополнительно осложняются старением из биогенных газов в дымовом шламе во время транспортировки. Эти факты научно подтверждены различными исследованиями.

Усиленная оптическая глубина аэрозолей, связанная как с лесными пожарами, так и с антропогенными источниками, может привести к большим ошибкам в метеорологических моделях, используемых для прогнозирования событий плохого качества воздуха. В целом, аэрозольные виды, выброшенные или образованные из лесных пожаров, являются сложными по своему характеру и обладают множеством различных последствий для климата и здоровья, что свидетельствует о необходимости лучше понимать различные типы, источники и транспортные пути этих выбросов.

Очень интересное исследование о пожарах и пыли было сделано в США, ограниченная версия на английском языке доступна здесь, у меня есть полная пишите

Антропогенные источники пыли

Москва НПЗ

Москва НПЗ

Сжигание мазута и угля на электростанциях, биотопливо, автотранспорт и промышленность. В рамках этой статьи наверное самое интересное место для исследований пыли, это город Пекин, где есть всё и население более 21.5 млн, и промышленность, и автотранспорт, и угольная энергетика. Среднегодовая концентрации пыли PM10 составляет 85.9 мкг/м3 (при допустимой концентрации 35 мкг/3 согласно китайскому национальному стандарту атмосферного воздуха (NAAQS ), в Европе еще в три раза ниже . При этом зимой, среднечасовые концентрации превосходят 200 мг/м3. Поэтому очень много исследований проводится именно в Китае. К сожалению информации и научных работ о происходящем в пыли в России очень мало, если посмотреть на сайт МосЭкоМониторинг только 13 станций дают какую-то информацию о пыли и это Москва самый финансово обеспеченный город.

Определение источника пыли

Теперь самое интересное и сложное, как опередить откуда пыль. Что это, пыль из Северной Африки, НПЗ, автотранспорт или угольная электростанция, а может быть пыльца растений.

Несмотря на всю сложность есть несколько методик, к сожалению я не знаю как их правильно перевести на русский язык. Буквально понятно как перевести, но скорее всего есть устоявшиеся русские названия методик. Подскажите в комментариях если знаете, в оригинале они звучат так

  • Positive matrix factorization (PMF)
  • Enrichemnt Factor
  • Principal component analysis
  • Сhemical mass balance

Эти методы были разработаны для идентификации основных источников выбрасывающих PM2.5 или соответствующих прекурсоров.

Возвращаемся к Пекину

Как я же писал выше, благодаря экологической уникальности мегаполиса, за последние 10 лет проведено множество исследований с выявлением источников пыли, включая основные источники как сжигание угля и биомассы, автотранспорт, почва и промышленность. Были проведены исследования учитывающие даже мельчайшие источники такие как пыль от сигарет, пыль от кухонь и пыль от растений. На фоне основных загрязнителей их влиянием можно пренебречь.

Пекин

Пекин

Но все исследования в основном проводились на материале полученном в лучшем случае после 12 часового пробоотбора, а в большинстве случаев при 24 часовом пробоотборе на фильтры, с последующим лабораторным анализом. При таком подходе мы видим сразу несколько недостатков

  • Сложный процесс – необходимо отобрать на фильтры, доставить в лабораторию, провести анализ
  • Не учитываются вариации день/ночь и/или направление ветра
  • Ограничение в статистическом анализе так как необходимые данные теряются при усреднении

Для построения точных многомерных моделей необходимо очень большое количество образцов, этому посвящено большое исследование

В одном из поселедних исследований данные собирались ежечасно с автоматическим анализом металлов с помощью пяти онлайн анализаторов HORIBA PX-375

Определение источников пыли

Определение источников пыли

Такой объем данных позволил собрать более 8000 анализов с каждой точки измерения. И сделать ряд важных выводов в стратегии управления качеством атмосферного воздуха.

Почасовый набор данных элементарного состава PM2.5, полученный в Пекине, был достаточным для применения методов PMF для определения источников и их вклада в общую массу PM2.5.

Одним из выводом исследования было определение источников пыли, с помощью метода PMF (Positive Matrix Factorisation) с помощью програмного обеспечения EPA, с руководством пользователя можно ознакомиться здесь

В результате было выделено пять факторов:

  • Фактор 1 составлял 0,6 мкг/м3, или 0,4% от общей распределенной массы, был связан с Fe (52,6%) и Mn (86,0%). Fe и Mn являются типичными индикаторами для производства стали. Предполагается, что этот источник представляет вклад сталелитейной промышленности. Хотя компания Capital Steel прекратила производство в 2011 году, что снизило местную эмиссию Fe и Mn. В регионах есть много небольших металлических цехов . В центральном районе Пекина были построены строительные заводы, где в течение года выполнялась резка металла и сварка [19]. Эти источники способствовали Fe и Mn.
  • Фактор 2, идентифицированный из анализа PMF, был источником, связанным с выбросом транспортных средств. Этот фактор состоял из большой доли Ni (79,4%), Cu (74,2%) и Zn (72,3%). Естественными источниками Ni являются в основном пыль и ресуспендированные частицы почвы. Сжигание тяжелого масла было антропогенным источником, который выделял частицы, содержащие Ni, и распределялся преимущественно мелкодисперсными частицами, такими как PM2.5. Cu является основными добавками для смазочных масел. Отсутствие Zn в факторе 2 неожиданно, потому что Zn обычно встречается в моторных маслах, шинах и тормозных колодках. Выбросы транспортных средств составили 36,3% от общей массы PM2.5, что составляет значительную долю от общей массы. В 2014 году численность автотранспортных средств в Пекине составляла более 5.59 млн.
  • Фактор 3 связан со значительной долей S (80,4%), и он объяснил 42,9% общей массы PM2.5. Он может представлять собой вторичные аэрозоли и аэрозоли с дальним переносом из-за пределов Пекина.
  • Фактор 4, который составлял 5,6% от общей распределенной массы PM2.5 с высокой загрузкой для Са (75,9%), Ti (64,2%), Si (34,2%) и Fe (27,2%), вероятно, представляет собой вклад почвы пыли в атмосферный PM 2.5 в Пекине. Ca и Ti являются типичными видами почвенной и песчаной пыли.
  • Фактор 5 составлял 14,7% от массы PM2.5, образцы были тяжело нагружены Cl (93,2%) и K (38,8%). Фактор 5 может представлять собой вклад потребления угля в массу PM2.5. Поскольку Cl можно рассматривать как элементный индикатор для сжигания угля в Пекине. В этом исследовании потребление угля показало высокий вклад в период с ноября по март следующего года, когда в Пекине в течение отопительного периода было потреблено намного больше угля. Эти наблюдения согласуются с тем, что Cl показал очевидные сезонные тенденции: ниже летом и выше зимой.

Сжигание угля, выброс транспортных средств и вторичные аэрозоли были тремя наиболее важными источниками PM2.5 в Пекине в течение времени отбора проб.

Выводы

Очевидно, что использование систем способных в относительно короткое время набирать большой объем данных по массовым концентрациям пыли с одновременным элементарным анализом, дают много преимуществ по сравнении с существующими подходами помимо непосредственных оперативных данных о загрязнениях позволяют проводить сложный статистический анализ с выделением источников пыли и помогать проводить адресную экологическую программу по снижению загрязненности наиболее опасной пыли фракций PM2.5

Обычный метод анализа пробоотбор → замена фильтров → транспортировка анализ состоит из нескольких стадий и совмещает в себе вне лабораторные методы и лабораторные. Что приводит к сильному удорожанию анализа и повышенному риску ошибок.

Даже при очень затратном 12 часовом отборе, при усреднении теряется важная часть данных, например направление ветра, что делает статистический анализ менее продуктивным.

Для преодоления этих сложностей применяются автоматические системы мониторинга, позволяющие получать результаты каждый час.