SZAKDOLGOZAT

Fényszóráson alapuló optikai részecskeszámláló

berendezések alkalmazása a környezeti aeroszol

kutatásban

Mirk Mihály

Témavezető: Dr. Alföldy BálintKFKI-AEKI

Tanszéki konzulens: Dr. Richter PéterTanszékvezető, FIEgyetemi tanár

BME2009

2

Fényszóráson alapuló optikai részecskeszámláló berendezések alkalmazása

a környezeti aeroszol kutatásban

A feladat részletezése, elvárás a szakdolgozóval szemben: A fényszóráson

alapuló részecskeszámláló berendezéseket széles körben használják a környezeti

(indoor/outdoor) aeroszol kutatásban. A mérési eljárás során a mintavételezett levegőt

lézernyalábon vezetik keresztül. A fény-részecske kölcsönhatás során keletkezett szórt

sugárzást photomultiplyer detektálja. Adott térfogatú levegőben detektált egyedi

felvillanások számából a részecske koncentráció, a detektált fényintenzitásból a

részecskék mérete határozható meg. Így az eljárás a részecskék méreteloszlásáról is

tájékoztat, mely igen fontos információ az aeroszol forrására, illetve egészségi és

klímahatására vonatkozóan. Az eljárás olyan részecskék detektálására használható,

melyek átmérője a fény hullámhosszával összemérhető, így általában 250-300 nm az

alsó detektálási küszöb. Az ennél a méretnél kisebb úgynevezett nanorészecskék

detektálására speciális eljárást alkalmaznak, melynek során a részecskéket

kondenzációs kamrán vezetik át. A kondenzáció során keletkezett víz vagy alkohol

cseppek átmérője már meghaladja a detektálási küszöböt, így optikai módon

detektálhatók. Az eljárás során azonban elvész a részecske átmérőre vonatkozó

információ. A hallgató megismerkedik az optikai részecskeszámláló berendezések

működési elvével, gyakorlatot szerez a berendezések működtetésében, a mért

eredmények kiértékelésében és értelmezésében. A munka során a jelölt részt vesz

atmoszférakutató mérési kampányokban, melyek során az optikai berendezések felelőse

lesz. Részt vesz a mérési koncepció kidolgozásában, valamint eljárást dolgoz ki az

információ vesztség minimalizálása, illetve az elveszett információ visszanyerése

érdekében (ld. detektálási küszöb, illetve átmérő adat vesztés kondenzációnál). A

kutatás a környezeti nanorészecskék mérhetőségére, illetve légköri koncentrációjuk

meghatározására fókuszál.

3

4

Önállósági nyilatkozat

Alulírott Mirk Mihály, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója

kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segédeszközök nélkül, saját magam készítettem,

és a diplomatervben csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint,

vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból vettem, egyértelműen a forrás megadásával

megjelöltem.

Dátum aláírás

5

6

Tartalomjegyzék

Bevezetés, irodalmi áttekintő...........................................................................................9Légköri aeroszol definíciója:........................................................................................9Keletkezés:...................................................................................................................9A légköri aeroszol ülepedése:.....................................................................................10Méreteloszlása:...........................................................................................................11Méret szerinti módusok..............................................................................................11Hatásai........................................................................................................................13

Éghajlati hatása:......................................................................................................13Élettani hatása:........................................................................................................14

A munka célja:............................................................................................................15Alkalmazott mérési módszerek......................................................................................16

Optikai tulajdonságok:................................................................................................16Egyrészecskés szórás-közelítés:.................................................................................17Abszorpció:.................................................................................................................18

Abszorpció és szórás kis részecskéken...................................................................20Abszorpció, és szórás gömbi részecskéken:...........................................................23Abszorpció, és szórás nem gömbi részecskéken:...................................................23

Fényelnyelő részecskék:.............................................................................................24Fekete szén (BC):...................................................................................................24Barna szén (BrC):...................................................................................................25Ásványi por (MD):.................................................................................................26

Alkalmazott műszerek....................................................................................................28Aethalometer:.............................................................................................................28

UVPM:...................................................................................................................31Műszer működése:..................................................................................................32Aethalometer korrekció:.........................................................................................33

Aeroszol spektrométer:...............................................................................................35Méréseink eredménye.....................................................................................................38

Grimm aeroszol spektrométer:...................................................................................38Aethalometer:.............................................................................................................40

Konklúzió.......................................................................................................................44Felhasznált irodalom......................................................................................................45

7

8

Bevezetés, irodalmi áttekintő

A Föld lakosságának nagyobb, és nagyobb hányada él, és költözik városokba.

Így egyre jelentősebb kérdés a városok élhetőbbé tétele. Statisztikák igazolják, hogy a

légúti megbetegedések előfordulása a nagyvárosokban gyakoribbak, mint vidéken. A

légszennyezettség a városokban egyre nagyobb méreteket ölt. Budapesten idén

olyannyira megnőtt az aeroszol koncentráció, hogy január 11-én és 12-én szmog-riadót

kellett elrendelni. Ezen időszakban több vidéki nagyvárosban is vészesen megnőtt a

légköri aeroszol koncentráció. Az aeroszolok mesterséges forrásainak száma

folyamatosan gyarapszik, és ezért egyre inkább befolyásolja életünket. Így manapság,

egyre nagyobb gondot kell fordítanunk a légköri aeroszol keletkezésének, hatásának

tanulmányozására.

Légköri aeroszol definíciója:A légköri aeroszol (PM, particulate matter) a levegőben lebegő szilárd és/vagy

cseppfolyós részecskék kolloid diszperz rendszere. A légköri aeroszol részecskék

mérete 2 nanométertől 100 mikrométerig terjedhet.

Keletkezés:Az aeroszolok forrásuk alapján többféleképp csoportosíthatók. Ismerünk

elsődleges, vagy másodlagos, illetve mesterséges vagy természetes forrásokat.

Elsődleges légszennyezők közvetlenül kerülnek a levegőbe. Míg a légkörbe került

anyagok (gázok) kémiai reakciói útján létrejött aeroszol részecskék alkotják a

másodlagos részecskéket. Az antropogén, mesterséges, források közé tartoznak a

gyárkémények, télen a lakossági fűtés, és igencsak jelentős mértékű forrás a közlekedés

is. Természetes forrás pedig a kövek aprózódása, az autók/állatok/emberek által felvert

por, és a növényi pollen is.

Az 1 μm-nél kisebb részecskéket finom aeroszoloknak nevezzük. Ezek főleg

kondenzációval, és koagulácóval/akkumulációval keletkeznek. A különféle gőzök

nukleációja során a kevésbé rendezett fázisból a tér bizonyos pontjain rendezettebb

fázis alakul ki. Ez a folyamat lehet homogén, amikor csak a kondenzálandó gőzök

vesznek részt, és heterogén, amikor a kondenzáció kondenzációs magvakon megy

végbe. A kondenzáció révén létrejött részecskék többnyire gömbalakúak.

9

A kicsi részecskék levegőmolekulákkal ütköznek, és az emiatt kialakult

véletlenszerű mozgásuk során egymással is ütköznek, és összetapadva nagyobb

egységet alkotnak. Ezt a jelenséget folyadékok esetén koagulációnak, szilárd

részecskék esetén akkumulációnak nevezzük.

Az 1 μm nagyobb, durva részecskék főleg a felszín aprózódásával

keletkezhetnek, alakjuk általában igen változatos, szabálytalan. Eredetüktől függően

lehetnek szárazföldi, illetve óceáni eredetűek.

A szárazföldi aeroszol a szél segítségével jön létre, ami kis részecskéket szakít

ki a talajból, sziklákból. Mivel a talaj közeli szélsebesség közelíti a nullát, ezért

valószínűleg turbulens áramlások juttatják a részecskéket a levegőbe.

Az óceáni aeroszol leginkább sót tartalmaz. Legvalószínűbb módja az aeroszol

képződésnek a tengerfelszínre érkező gázbuborékok szétrobbanása. A buborékok

növekedésével nő a légkörben képződő aeroszolok száma. De a hullámok tarajáról is

felkaphat vízcseppeket a szél. A szélsebesség növekedésével mindkét esetben nő az

aeroszolok száma.

A légköri aeroszol ülepedése: Az aeroszolok stabilitását a rájuk ható külső erők szabályozzák. Legfőbb külső

erő a gravitáció. A tömegvonzás hatására a részecskék ülepednek. Ha az ülepedési

sebesség (vg) nagy, akkor a részecske hamar kikerül a légkörből. Egy gömb alakú

részecske állandó ülepedési sebességét kiszámíthatjuk, mivel a rá ható gravitációs erő

megegyezik a közegellenállásból rá ható erővel:

(1)

Ahol μ a dinamikus viszkozitási együttható, g a gravitációs állandó, r a gömb sugara, és

ρp a sűrűsége. Így:

(2)

Látható, hogy minél nagyobb a részecske sugara, annál gyorsabban ürül ki a

légkörből. Emiatt a levegőben 100 μm sugarú részecske már csak ritkán, csupán a

forrás környezetében található.

10

Méreteloszlása:Mint látható a gravitációs ülepedés, illetve a koagulácó/akkumuláció erőteljesen

befolyásolja a részecskék méret szerinti eloszlását. Így a méreteloszlás nem lesz

egyenletes.

N1 és N2 koncentrációjú r1 és r2 sugarú részecskék esetén a

koaguláció/akkumuláció miatti részecskeszám-csökkenés:

(3)

ahol Kc (m3/s)a koagulációs együttható.

(4)

D a diffúziós állandó, ami:

(5)

ahol l az átlagos szabad úthossz,

(6)

Általában a sugár egy nagyságrenddel való növelésére a diffúziós állandó két

nagyságrenddel csökken. Vagyis Kc a sugár csökkenésére tetemes ütemben nő, tehát a

koaguláció/akkumuláció gyorsul. A koaguláció egy bizonyos méret fölött teljesen

elhanyagolható mértékű.

A gravitációs ülepedés és a koaguláció/akkumuláció miatt módosul a részecskék

méreteloszlása. A koaguláció/akkumuláció csökkenti a 0,1 μm alatti, míg az ülepedés

az 1 μm fölötti részecskék számát. Így a légköri tartózkodási időnek 0,1-1 μm között

maximuma van. Ezek a részecskék a csapadékkal együtt, nedves ülepedéssel hagyják el

a légkört.

Méret szerinti módusokA méret szerinti eloszlás három módusból tevődik össze: a nukleációs (dp < 0,1

μm), akkumulációs (0,1 μm < dp < 2,0 μm) és durva(dp >2 μm) módusból. Ezt a három

módust az ábra szemlélteti:

11

A nukleációs módus a nukleációval keletkezett részecskékből áll. Számuk az

elsődleges forrástól való távolsággal csökken. A nagyobb koncentrációjú nukleációval

keletkezett részecskék gyorsan koagulálnak, és ha a forrás kifogyott, akkor

összegyűlnek a részecskék a 0,1-1 μm-es mérettartományban. Ez a mérettartomány már

az akkumulációs módusba tartozik. A durva módust a felszín aprózódásával keletkezett

részecskék alkotják. Relatív gyakoriságuk alacsony, mégis jelentős tömeget, térfogatot

képviselnek. Mivel a durva részecskék felülete kicsi a finom részecskékhez képest,

ezért a gőzök inkább a finom aeroszolokra kondenzálódnak. A durva részecskék szám

szerinti eloszlása kicsi, ezért nem is keverednek más módusokkal. Keletkezésüknél

fogva más a kémiai összetételük is.

Amint az a 2.ábrán látható, a mérések alkalmával nem mindegy, hogy a

részecskék milyen tulajdonságát vizsgáljuk. Amennyiben a részecskék darabszámát

mérjük, akkor leginkább a kisebb méretű részecskékről kapunk információt, mivel azok

darabszáma dominálja a méreteloszlást. Ellenben, a tömeg vagy térfogat mérésben a

nagyobb részecskéknek van meghatározó járuléka.

12

1. ábra: egy tipikus városi környezet méreteloszlás függvénye. Jól látható, ahogy a 3 módus elkülönül.

Hatásai Az aeroszol hatással van az éghajlatra, az emberi egészségre, a látótávolságra,

valamint közvetett módon a vizek, illetve a talajfelszín tisztaságát is befolyásolja.

Éghajlati hatása:Éghajlatunkat az aeroszol alapvetően kétféleképp befolyásolja, a napsugárzással

való kölcsönhatáson keresztül, valamint kondenzációs magként részt vesznek a

felhőképzésben. A sugárzással történő kölcsönhatás lehet fényszórás, avagy elnyelés.

A szórás során a részecskék a besugárzott elektromágneses

hullámokat (napfényt) változatlan hullámhosszon újra kisugározzák.

Ez a kisugárzás minden irányban jelentkezik irányonként más-más

intenzitással. A szórás akkor a legintenzívebb, mikor a részecske

mérete nagyjából a beérkező fény hullámhosszával azonos. Ez

leginkább a 0,1-1 μm-es tartományt jelenti, azaz, az infravörös és a látható

tartományt.

13

2.ábra: a különféle mérések alkalmával a különféle mennyiségek hogyan változnak a

részecske átmérőjével: a) darabszám, b)felület c) térfogat

Az elnyelés során az aeroszol a sugárzási energiáját más energiává, (pl:

hőenergiává, kémiai energiává) alakítja. Kérdéses, hogy ezen jelenség miként hat a

Föld klímájára. Mivel az aeroszol a felsőbb rétegekben elnyeli a napsugárzás egy

részét, ezért ott melegíti a légkört. Árnyékoló hatásának következtében viszont

csökkenti a talaj energiaelnyelését, ezen keresztül a felszín melegedését, tehát közvetve

hűti a légkört. A két folyamat eredőjének előjeléről a mai napig viták folynak. Az

elnyelésben kiemelt szerepe van a koromnak, hiszen fekete színe miatt mindenféle

sugárzást elnyel.

A felszálló meleg levegő hőmérséklete csökken a magassággal. Az alacsonyabb

hőmérsékletű levegő kevesebb vízgőzt képes megtartani, ezáltal egy magasság felett a

levegő túltelítetté válik, és a fölös vízgőz az aeroszolokon kondenzálódik. Minden

részecskéhez tartozik egy kritikus túltelítettség, amelyen aktívvá

válik, vagyis spontán növekedésnek indulhat. A kritikus túltelítettség

értéke a részecskék fizikai (pl. méret) és kémiai (higroszkóposság)

tulajdonságainak függvénye. Minél nagyobb a részecske sugara,

illetve minél inkább vízoldható, annál alacsonyabb a kritikus

túltelítettsége. Amennyiben sok aeroszol részecske van a levegőben

és ezek aktívvá is válnak, akkor több, de kisebb méretű felhőcsepp

keletkezik. Az ilyen szerkezetű felhők a nagyobb cseppekből álló

felhőkhöz képest hatékonyabban szórják vissza a világűrbe a földi

légkörbe beérkező napsugárzást és stabilitásuk is nagyobb, azaz

kisebb valószínűséggel képződik belőlük csapadék. Ez a jelenség a

légkört hűti, hisz a sugárzás az energiája kisebb hányadát tudja a

Földön leadni.

Élettani hatása:Egészségünket is jelentősen befolyásolja az aeroszol, amely az emberi

szervezetbe leginkább légzés által jut be. Élettani hatásaikat a részecskék, valamint a

légzőszervek fiziológiai, fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságainak komplex

rendszere és kölcsönhatásaik mechanizmusa befolyásolja. Az aeroszol részecskék

koncentrációja, kémiai összetétele és mérete, valamint különböző egészségkárosodási

mutatók között közvetlen összefüggést találtak az elmúlt években. Kimutatható volt,

hogy városi környezetben egészségügyi szempontból talán a legfontosabb

légszennyező anyag az aeroszol. Az egészségkárosodás asztmát, krónikus légúti

14

megbetegedéseket (pl. légcsőgyulladást, emphysemát, tüdőhegesedést, COPD-

betegséget), daganatos légzőszervi betegségeket és koszorúér betegségeket foglal

magába, akut és krónikus egészségkárosító hatást egyaránt kifejthet. Feltételezzük,

hogy az aeroszol részecskékben található fémeknek, elsősorban az átmeneti fémeknek,

és szerves vegyületeknek különös jelentősége van, például az oxidatív stressz

létrehozásában. Egészségkárosító hatást mutattak ki az ultrafinom részecskékkel

és/vagy finom részecskékkel, továbbá a durva részecskékkel kapcsolatban is.

Az egészségügyi hatás mértékének és jelentőségének tudatosításában segíthet az

USA kilencven városára kiterjedő szisztematikus vizsgálat eredménye, amelyből

megállapítható, hogy a PM10 ( ) méretfrakciójú aeroszol

tömegkoncentrációjának 10 μg/m3 növekedése átlagosan mintegy 0,3–0,6%-kal növeli

meg a napi halálozások relatív kockázatát.

Hasonlóképpen, ha a PM2,5 ( ) méretfrakciójú aeroszol

tömegkoncentrációja 10 μg/m3 értékkel megnövekszik, akkor ez átlagosan 4%

többletet eredményez a napi halálozások várható számát illetően. Az aeroszol

környezeti hatásainak közvetlen érzékszervi tapasztalása a levegőminőség romlása, a

látótávolság csökkenése és az épületek falait befeketítő réteg.

Az eddig leírtakból látható, hogy az aeroszol hatásának megfigyelésénél a

mennyiség mellett részecskék mérete is fontos. Mivel a légköri aeroszol

méreteloszlásának maximuma a 0,1-1 μm mérettartományban található ezért ezen

méretű részecskék vizsgálata különösen is indokolt.

A munka célja: Az általunk végzett mérések fő célja hozzájárulni Budapest levegőminőségének

értékeléséhez. Ehhez a különféle légszennyező anyagok légköri koncentrációját

mértük, különös tekintettel az aeroszolra. Legfontosabb kérdéseink közé tartozik

Budapest és környékén a légköri aeroszolok vertikális, és horizontális eloszlása,

méreteloszlása, és a koromnak, mint kiemelt összetevőnek a koncentrációja. Ezt széles

körben használt mérési módszerek alkalmazásával valósítottuk meg. E mérési

módszerek elméleti hátterét, az általunk használt berendezések mérési elvét ismertetem

dolgozatomban. A mérési módszereket olyan szempontból értékelem, hogy milyen

mértékben használhatóak a kitűzött cél érdekében, vagyis a városi légszennyezés

vizsgálatában. Dolgozatomban példán keresztül mutatom be a légköri korom mérése

közben jelentkező mérési műtermék kiküszöbölésének módját, illetve extrapolációs

15

eljárást ismertetek, mellyel információt nyerhetünk az aeroszol spektrométer mérési

tartományán kívül eső részecskék méreteloszlásra vonatkozólag.

16

Alkalmazott mérési módszerek

Az aeroszol koncentráció meghatározása történhet a részecskék tömegének

mérésével, vagy a részecske-fény kölcsönhatás alapján, optikai úton. Mivel célunk a

0,1-1 m mérettartományba eső részecskék vizsgálata, melyek az előbbi fejezetben

elmondottak alapján főleg a számszerinti eloszlásban adnak járulékot, ezért az optikai

módszer mellett döntöttünk. Az optikai mérési elv alapulhat fényszóráson, illetve

elnyelésen.

Optikai tulajdonságok:Az aeroszol optikai extincióját (fényintenzitás csökkenés) a fényszórás, és az

abszorpció okozza. Ha egy kis részecske - legyen szilárd, vagy folyékony - kerül egy

elektromágneses hullám (fény) útjába, akkor a beérkező fény elektromos terének

hatására a benne levő dipólusok oszcillálnak. A gyorsuló elektromos töltések

elektromágneses teret hoznak létre maguk körül, melyet minden irányban

kisugároznak. A gerjesztett elemi töltések továbbá átalakíthatják a beérkező

elektromágneses energiát más energiává. Ha a részecske a gerjesztési energiát átalakítja

(pl.: hőenergiává) akkor ezt elnyelésnek nevezzük. A szórás az anyag

inhomogenitásával van kapcsolatban mind a molekulán belül, mind több molekula által

alkotott halmazon belül.

A fényszórás minden egyes részecskén egyenként megy végbe. A részecskék

anyaga, geometriája különböző lehet. Jelen esetben rugalmas szórást feltételezünk.

17

3. ábra: a P pontban a szórt fény megegyezik a kis részek által kisugárzott hullámok szuperpozíciójával

Vegyünk egy tetszőleges alakú részecskét és osszuk fel kis részekre, amint a 3. ábrán is

látható. Az alkalmazott oszcilláló tér (beérkező elektromágneses hullám) minden kis

részben gerjeszti az ottani dipólmomentumot. A dipólusok oszcillálnak a beérkező

hullám frekvenciájával, és emiatt minden irányban sugároznak. Egy adott P pontban a

teljes szórt fény megegyezik az adott pontban lévő szórt hullámok szuperpozíciójával,

ahol számításba vesszük a fáziskülönbségeket is. A dipóluson való szórás koherens. Ha

a részecske kicsi a megvilágító fény hullámhosszához képest, akkor a másodlagos

hullámok nagyjából azonos fázisban vannak. Ilyen részecskénél nem lesz nagyon

irányfüggő a szórt fény intenzitása. Ahogy növekszik a részecske mérete, úgy nő meg a

hullámok kioltásának, és erősítésének lehetőségeinek száma is. Így több csúcs, és völgy

lesz látható a szórási képben. A hullámocskák fáziskülönbségei geometriai adatoktól

függnek: megvilágítási irány, részecske mérete és alakja. A gerjesztett dipólmomentum

amplitúdója és fázisa adott frekvencián már anyagfüggő.

Egyrészecskés szórás-közelítés:A természetben nincsenek egyedülálló részecskék, többnyire rengeteg

különböző részecskét találunk adott kis térfogatban. Ahhoz viszont, hogy teljesen

megértsük a fényszórás jelenségét, tudnunk kell, miként reagálnak nagymennyiségű

részecskék az oszcilláló elektromágneses térre. A részecskék egymással

kölcsönhatásban állnak. Minden egyes részecskét gerjeszti a külső fény, és a többi

részecskén szóródott fény is. Ezen felül a részecske körül kialakult elektromágneses

mezőt a saját, és az összes körülötte lévő részecske elektromágneses mezeje alakítja ki.

Ez egy igen bonyolultan összefüggő rendszer, mely nagymértékű egyszerűsítések

bevezetésével, megoldhatóvá válik.Így jutunk el az egyrészecskés szóráshoz (single

scattering). Ebben a közelítésben a részecskék száma elegendően alacsony, és a térbeli

elhatárolódásuk elegendően nagy ahhoz, hogy egy részecske körül a többi részecske

hatása elhanyagolhatóan kicsiny legyen, a külső elektromágneses tér hatásával

szemben. Ezen közelítés mellett a teljes szóródott elektromágneses mező megegyezik

az egyes részecskéken szóródott mezők összegével, ahol minden egyes szórást csak a

külső elektromágneses tér indukált.

Az egyrészecskés szórásnál a részecskék, és az elhelyezkedésük teljesen

véletlenszerű, ami inkoherens szórást feltételez. Vagyis nem tapasztalható semmiféle

rendezettség az egyéni szórt hullámok fázisai között. Így az összes részecskén való

szórás teljes intenzitása meg fog egyezni a külön-külön vett szórások intenzitásainak

18

összegével. De ha már a részecskék valamilyen oknál fogva nem véletlenszerűen

helyezkednek el, akkor a szórás a fény irányában koherens lesz.

A nehézséget már csak az okozza, hogy nem tudunk olyan megfelelően pontos,

általános feltételeket szabni ezen közelítéshez, amelyen teljesül az egyrészecskés

szórás. Laboratóriumokban általában van lehetőség elegendően kis részecskék

létrehozására. Ellenben a felhők leírására már nem használható az egyrészecskés

szórásmodell, ott már többrészecskés szórás (multiple scattering) figyelembevételére

van szükség.

Abszorpció:

Az abszorpció az abszorpciós hatáskeresztmetszettel σabs ( ) és az

abszorpciós hatásfokkal Qabs jellemezhető. Az abszorpciós hatásfok az abszorpciós és a

geometriai hatáskeresztmetszet hányadosa. Gömb esetén a geometriai

hatáskeresztmetszet.

(7)

Így:

(8)

Az abszorpciós együttható βabs ( ) n részecskére nem más, mint az egyéni

hatáskeresztmetszetek összege, adott térfogatra nézve. Azonos részecskék esetén ez

nem más, mint egy részecske hatáskeresztmetszetének és a részecskék térfogati

darabsűrűségének ( ; ) hányadosa:

(9)

A tömeg abszorpciós együttható Eabs az a tömegre vonatkoztatott összes abszorpció

hatáskeresztmetszet.

(10)

Az albedo (single scattering albedo SSA) ω, pedig a szórás aránya a teljes

elnyelődésben:

19

(11)

ahol a teljes elnyelődés hatáskeresztmetszet a szórási, és az abszorpciós

hatáskeresztmetszetből tevődik össze. Ez felírható -kal is:

(13)

Az albedo értéke 0 és 1 között mozoghat, 0 esetén csak abszorpció lép fel, ez a

tökéletesen fekete részecske, míg 1 esetén pusztán csak szórást tapasztalunk, ez a

tökéletesen fehér részecske.

Az aeroszol optikai tulajdonságainak (abszorpció, szórás, SSA) hullámhosszfüggését

egy hatványos kifejezéssel adhatjuk meg. Például esetén:

(14)

ahol AAC az abszorpciós Ångström tényező. A szórási Ångström tényezőt (SAC)

hasonlóképp kapjuk.

A részecskék fényelnyelését a térbeli komplex törésmutató-eloszlástól függ,

amely magába foglalja a részecske, és a részecske körüli törésmutató-eloszlás közti

kapcsolatot is. A legtöbb légköri alkalmazásnál a részecske körüli törésmutató

egységnyinek tekinthető. A komplex törésmutató, m, felírható a következőképp:

(15)

ahol n a valós, és k az imaginárius rész. Ha egy részecskének csak valós törésmutatója

van, akkor az csak szórja, de nem nyeli el a fényt. Egy anyag sokrészecskés

abszorpciós együtthatója abs_sok a törésmutató képzetes részével függ össze:

(16)

ahol λ a hullámhossz.

Optikai alkalmazásoknál a részecske relatív optikai sugarának a részecske

karakterisztikus méretének és a hullámhossznak az arányával jellemezzük, mert a

részecske optika skála invariáns, azaz ugyanúgy viselkedik a mm-es részecske a mm-es

hullámmal, mint a cm-es részecske a cm-es hullámmal. Gömb alakú részecskére a

karakterisztikus méret a kerülete. Így az x méretparaméter:

(17)

ahol r a sugár.

20

A részecskét kicsinek tekintjük a hullámhosszhoz képest, ha x<<1. Nem gömbi

részecskék esetében térfogatot, vagy felszínt is felhasználhatunk x kiszámításához.

A részecskék optikai tulajdonságait többféle technikával, és közelítéssel

számíthatjuk. Itt a kis részecskékre koncentrálunk. A homogén, gömbi részecskék

fényszórását közvetlenül Mie elmélettel lehet kiszámítani. Általában mindenféle

részecskét ezzel az elmélettel számítanak, mivel kényelmes használni. A Mie elméletet

kiterjesztették már ellipszoid, és rétegelt részecskékre, és léteznek még egyéb

közelítések fraktál-szerű láncra. A teljesen véletlenszerű alakú, és törésmutató eloszlású

részecskéket csak számításigényes módszerekkel számíthatjuk, úgy mint a T-mátrix, és

a diszkrét dipól technika.

Abszorpció és szórás kis részecskéken A Rayleigh tartománybeli részecskék (x<<1) optikai tulajdonságai fontosak,

hiszen ezek gravitációs ülepedése lassú, emiatt sokat tartózkodnak a légkörben. Ezen

tartományban az abszorpció leginkább a magas hőmérsékletű égésből származó

részecskéket érinti, amely nagymennyiségű fekete szenet (BC) tartalmaz.

Minden tetszőleges részecskét feloszthatunk kis részekre. Ha a fény egy kis

részecskére (x<<1) esik, a részecske minden kis részében az ottani dipólmomentumot

gerjeszti. A dipólusok oszcillálnak a beérkező hullám fázisával és frekvenciájával, ezért

azok minden irányban sugároznak.

A szórási hatáskeresztmetszet σsca a teljes részecskére a szórási amplitúdók ( )

koherens összegzés miatt n darab azonos kis rész esetén V térfogatú részecskére:

(18)

ahol az i-dik kis rész szórási hatáskeresztmetszete, N a kis részek

darabsűrűsége. Az egyenlőség jobb oldalánál feltettük, hogy a részecske gömb alakú,

és r a gömb sugara. Ezen képletből látszik, hogy a részecskének a hatáskeresztmetszete

arányos a térfogatának négyzetével, ha gömb alakú, akkor sugarának hatodik

hatványával.

Az abszorpció az oszcilláló dipólusok tompításának következménye, amikor az

elektromágneses energia átalakul hőenergiává. Emiatt a kis részek abszorpciós

hatáskeresztmetszeteinek összegéből megkapjuk a teljes részecske

hatáskeresztmetszetét:

21

(19)

Hasonlóan a szóráshoz itt is éltünk azon feltételezéssel, hogy minden kis rész

egyforma, és hogy a részecske gömb alakú.

A szórási és az abszorpciós hatásfok az előbbi feltételekkel:

(20)

(21)

ahol az egyes kis részek szórási/abszorpciós hatáskeresztmetszetét a hullámhossztól

függőnek tekintettük. Habár ezt a függést akkor meg kell határozni. Mivel a képletben

már szerepel a λ változó külön is, célszerű lenne, ha a hullámhosszfüggés csak ebben a

változóban jelenne meg. Felhasználva a skála invarianciát, bevezethetjük:

(22)

(23)

Ezekből ha kifejezzük -t, és -t, akkor ezeket behelyettesíthetjük (18)-ba, (19)-

be, és végül megkapjuk a jól ismert λ-4-es függését a Rayleigh szórás abszorpciós

hatáskeresztmetszetének, vagy a kevésbé ismertebb λ-1-es függését a Rayleigh szórás

szórási hatáskeresztmetszetének:

(24)

(25)

A konstansok értékét az elektromágnesesség-tanból levezett szokásos egyenletekből

lehet számítani:

(26)

(27)

ahol m a részecskék komplex törésmutatója.

Az is világos, hogy a Rayleigh szórás nem alkalmazható, amikor a relatív

optikai sugara összemérhető eggyel . Abszorpció a nagyobb részecskékre (x>>1)

22

már nem korlátozódik koherens megfontolásokra, mint a Rayleigh esetben, de itt már

nem térfogati, hanem felületi elnyelődésről beszélünk, hiszen a sugárzási energiát csak

a felületen nyeli el.

Abszorpció, és szórás gömbi részecskéken:A végtelen elektromágneses síkhullámok homogén, lineáris, izotróp, gömb

alakú részecskéken való szórásának Maxwell egyenleteinek teljes analitikai megoldását

Gustav Mie dolgozta ki. A Mie elmélet magja, a beérkező síkhullámok gömbi

harmonikus hullámokra való kiterjesztése, a Maxwell egyenletek megoldása a gömbi

határfeltételekkel, és végeredményben a részecskén belüli, és a szórt mező gömbi

vektorok harmonikusaival való kifejezése. Ezen elmélet használható a szórási és az

abszorpciós hatáskeresztmetszetek kiszámításához, és a szórás szögfüggésének

meghatározására tetszőleges méretű, és törésmutatójú gömb alakú részecskére. A

különböző méretű részecskéken való szórás szögfüggése a Mie elmélet szerint a képen

látható.

A Mie elméletet kiterjesztették már ellipszoidra, réteges koncentrikus hengerre,

réteges koncentrikus gömbre, térbeli inhomogenitásokat tartalmazó gömbre, satöbbi. A

közelítések közül néhány igencsak jól leírja a valóságban tapasztalt részecske-hullám

kölcsönhatásokat.

Abszorpció, és szórás nem gömbi részecskéken:Analitikus megoldás csak egyszerű alak esetén adható. Tetszőleges alakú

részecskén való szórás, és abszorpció már csak közelítésekkel, és fejlett numerikus

módszerekkel számítható. Homogén részecskéhez a T-mátrix módszert, a

momentumok módszerét (MoM), és az általánosított multipol technikát alkalmazzák

(GMT). Ha a részecske még csak nem is homogén, akkor térfogati módszereket

23

4. ábra: különböző méretű részecske esetén a Mie szórás szögfüggése

használunk, mint például: diszkrét dipól közelítés (DDA), páros dipól módszer (CDM),

végeselem módszer (FE).

Fényelnyelő részecskék:Az ultrafinom részecskék fő összetevője városi környezetben a korom, mely az

üzemanyagból tökéletlen égés során képződik. A korom elsődleges forrású részecske.

Egyik legfontosabb emissziós forrásuk a dízel-üzemű gépjárművek, különösen a

tehergépjárművek és buszok kibocsátása.

Az aeroszolok elnyelését a rövidebb hullámhosszakon leginkább a fekete szén

(BC) dominálja. A fekete kormot mesterséges és természetes égési folyamatok

bocsátják ki. Ezen égési folyamatok organikus szenet (OC) is kibocsátanak, amik

fényelnyelő barnaszenet (BrC) tartalmazhatnak. Még nem tudni, hogy a barnaszén

mennyire erősen nyeli el a fényt. Ezenkívül még az ásványi por (mineral dust - MD) az

egyetlen globálisan releváns aeroszol részecske a légkörben. Mivel az összes

tömegkibocsátása az ásványi pornak sokkal nagyobb, mint a BC-nek, a tömegarányos

hatásfoka sokkal kisebb, mint a BC-é. A következőkben részletesebben ismertetem az

említett összetevőket.

Fekete szén (BC):A BC széntartalmú anyag, erősen fekete színű, amit a törésmutató jelentős

nagyságú imaginárius része okoz ( ). Törésmutatója független a hullámhossztól

a látható, illetve a közel látható spektrális tartományban. Az állandó k érték azt

eredményezi, hogy az abszorpciós együttható fordítottan arányos lesz a λ

hullámhosszal - Abszorpciós Ångström tényező egységnyi (AAC=1) - mind a

nagymennyiségű mind a kis részecskék esetén a Rayleigh tartományban. BC-t tipikusan

az égéstermékek apró részecskéi között találhatunk. Ezen részecskék térfogati nyelők,

azaz az abszorpciós hatáskeresztmetszet arányos a részecske térfogatával. A térfogatát,

vagy tömegét számszerűsíthetjük az aeroszol abszorpciós együtthatójának mérésével.

A BC a magas hőmérsékleten történő széntartalmú gázok tökéletlen égéséből

származik. Legjelentősebb forrása a Diesel-motor, de a kazán, és az erdőtűz is forrásai

közé sorolható. Amellett, hogy a korom részecskék közül megkülönböztetjük a BC-t a

feketeségük alapján, más koromfajtákat is megkülönböztethetünk.

Megkülönböztethetünk továbbá elemi szenet (EC) a hőállóság alapján (termo-optikai

módszerekkel), grafitszerű szenet (GC) a grafit-szerű rácsszerkezete miatt (Raman

spektroszkópia, röntgenszórás), vagy a feloldhatalan szenet (poláros, apoláros

24

oldószerbeli oldhatatlanság aránya). Mivel a feketeség nem eléggé egzakt

meghatározás, ezért a BC-nek más meghatározása is született. A BC az aeroszolok

azon részhalmaza, mely feloldhatatlan mind poláros, és apoláros oldószerben; mely

tiszta oxigénben is stabil marad 350 oC-ig; melynek Raman-szórásbeli spektrumvonalai

karakterisztikusak mind a grafitra, mind a mikrokristályokra; és mely erősen

abszorbens a látható tartományban. A frissen kibocsátott BC általában hidrofób, de a

felületi oxidáció és/vagy bevonatképződés miatt átalakul hidrofillé nagyjából egy nap

alatt. Légkörben eltöltött ideje nagyságrendileg nyolc nap. Mind a száraz, mind a

nedves ülepedés jelentősen csökkenti a BC légköri koncentrációját. A BC éghajlati

hatása helyi viszonylatban lényegesebb, mint globálisan.

Az összetapadt BC részecskék alakja fraktál-szerű. Ezt az alakot összefüggésbe

hozni az optikai tulajdonsággal igazi kihívás volt, hiszen se Rayleigh, se Mie szórási

tulajdonságot nem mutatott. De különböző közelítésekkel fraktál matematikát

alkalmazva lehetővé tették, hogy kísérleti adatokból kiszámítsuk a BC komplex

törésmutatóját. Bond és Bergstrom 550 nm esetén 1,95+0,79i kapott a törésmutatóra, és

a tömeg abszorpciós együttható 7,5 1,2 volt [3].

Barna szén (BrC):BrC egy fajta fényelnyelő széntartalmú anyag, amelynek a törésmutatójának k

képzetes része, BC-től eltérően, a rövidebb látható fény és az UV-fény hullámhossza

felé nő, ami miatt az AAC sokkal nagyobb lesz egynél, és ez adja a barnás-sárgás

megjelenését. A BrC az organikus szenek közé tartozik. A BrC hatásai iránt növekvő

kíváncsiság ellenére még mindig erős a bizonytalanság az összetételéről, és a

származásáról. Továbbá nem vagyunk tisztában a kibocsátásával, légkörben eltöltött

idejével sem. Ha a BrC főként vízben oldódó organikus szénből (WSOC) épül fel,

akkor inkább nedves ülepedéssel távozik a légkörből.

Újabb kutatások azt sugallják, hogy a BrC optikai tulajdonságai a WSOC és a

humin-szerű összetevők (HULIS) alakítják. A WSOC policiklikus-aromás, fenol, és

savas funkciós csoportokat tartalmaz. A HULIS-t a WSOC-ből való kivonási

folyamattal definiálják. A HULIS AAC-je eléri a 6-7 értéket is.

A kezdeti BrC megfigyelések a származását a biomassza parázsló égetésével

kötötte össze. Ez egy széles körben megfigyelt alacsony hőmérsékletű, lángmentes

oxidációja a szilárd üzemanyagnak, míg a lángoló égés egy magas hőmérsékletű

25

oxidációja a melegítés hatására elpárolgó gázoknak. Az izzás által kibocsátott aeroszol

merőben különbözik a lángolásból származótól. Gyengén párolgó organikus összetevők

(LVOC) túlnyomó részben a biomassza izzásából származnak. Majd gyorsan

kondenzálódnak a növekvő részecskékbe és polimetrizálódhatnak a vízcseppekben

található OH gyökökkel. Ez a folyamat akkumulációs módusú részecskéket

eredményez. Korábbi kutatások mást forrásokat, és kialakulást feltételeznek a BrC –

nek, úgy mint az elsődleges források közé tartozó szárazföldi és tengeri forrásokat,

illetve a másodlagos organikus aeroszol képződményeket, biogén anyagokat, ezek

oxidjaikat, és polimerjeiket.

Széles körben vizsgálják a BrC-t. Kutatások folynak a forrásokra, a gerjesztésük

során kisugárzott, illetve elnyelt fényre, ezek hullámhossz (energia) függésére. A

különböző forrásokból különféle AAC értékeket nyerhetünk. A nagy választék az AAC

értékében a BC és a BrC aeroszolok keveredésének következménye, ahol a BC AAC-je

egy. Erre a feltételezésre volt is kísérlet, mely szerint alacsony albedójú biomassza

égetés során az aeroszol AAC-je egy körüli, míg magasabb AAC-t csupán magas

albedójú részecskék esetén figyeltek meg, amelyek kevés BC-t tartalmaztak.

Ásványi por (MD):Globálisan az MD-t bocsátják ki legnagyobb mértékben, legnagyobb az átlagos

légoszlop tömegterhelése, és az átlagos optikai mélysége. Míg a széntartalmú

aeroszolok globálisan dominálják az aeroszolok abszorpcióját az alacsony albedójuk

által, addig az MD részecskéknek is elegendően alacsony az albedójuk ahhoz, hogy

jelentős legyen az abszorpciójuk a Föld sugárzási mérlegében, és a regionális

csapadékképződésben. Nagyjából 62%-át a globális MD tömegterhelésnek Észak-

Afrika adja, míg Ázsia (15%) és az Arab Félsziget (11%) a 2. illetve a 3. helyre

került. Az MD részecskék hiába tartoznak a legnagyobb részecskék közé 0,1-től több

mint 100 μm átmérővel, csak azon részecskék képesek hosszasan a légkörben maradni,

és hosszú távú transzportfolyamatban részt venni, melyek átmérője kisebb, mint 10 μm.

A forráshoz közeli nagy MD részecskék lerakódásnál a gravitációs ülepedés uralkodik,

míg a finom MD részecskék között inkább a nedves ülepedésen van a hangsúly.

A hosszú távú transzportfolyamatokban résztvevő MD részecskék

törésmutatójának valós részét 1,43<n<1,56 –re és képzetes részét 0,001<k<0,0027-re

becsülték, míg ezen részecskék átmérőjének mediánja tipikusan 3,5 μm körül nagy

kilengéssel mozog, a mérési módszertől függően. MD részecskék alakja nem

26

gömbszerű, és nem is sorolható be egyszerűen, megnehezítve ezzel az optikai

tulajdonságainak számítását. Gyakran használnak gömbi, illetve ellipszoid közelítést.

Tömeg abszorpciós együtthatóját 550nm-en 0,02-0,1 m2/g-ra becsülték, bár nem

vagyunk tisztában avval, hogy mennyire reprezentatívak az elsődleges módszerekkel

(fotoakkusztika, elnyelés-mínusz-szórás) mért környezeti mérések, amelyek hosszú

távú transzportfolyamatban résztvevő MD-t mérnek.

MD egy összetett kifejezés, amely olyan aeroszolokra utal, amik széles körben

változó ásványok keverékét tartalmazza úgy, mint a kvarc, agyagszerű ásványok,

kalcitok, stb. . Ezek a részecskék képződményei (mérete 80- néhány 100 μm) gyakorta

jelen vannak a talajban. Az MD beépülése a légkörbe nagymértékben a szél eróziós

tevékenységéhez - amibe beleértjük a tenger mosta partot is-, és kisebb mértékben

egyéb mechanikus folyamatokhoz. A frissen beépült MD-nek a fő összetevői kezdetben

nagyon hasonlíthatnak az anyaföld összetevőire. Az ásványi por összetételében

változások mehetnek végbe a beépülés és a transzport során gravitációs ülepedéssel,

keveredéssel, rétegképződéssel. A természetes forrásokhoz hozzájön az emberi

tevékenységből származó antropogén MD. Ez az eredeti földfelszín módosítása

(mezőgazdaság, erdőirtás, épületek stb.) miatt jön létre. A mesterséges MD akár a teljes

légköri MD 50% is kiteheti.

Figyelembe véve, hogy számtalan ásványi anyag fordul elő a légkörben, nagy

kihívás az abszorpció mérése. A törésmutató széles tartományban változik anyagtól

függően, és az MD optikai tulajdonságát az egyes ásványok mennyisége, és ezek

keveredése határozza meg. Az igen változatos optikai karakterisztikák miatt, csupán a

főbb összetevők vizsgálatára helyezik a hangsúly. Ilyen összetevő a kvarc, hematit,

agyag, vas-oxid.

27

Alkalmazott műszerek

Aethalometer:Az Aethalometer real-time műszer, mely az átszívott légtérfogat

BC koncentrációját méri. A műszer folyamatosan üzemel: levegőt

szűr és optikai méréseket végez. A mérési eredményt már a

helyszínen megkaphatjuk. Egy beszívó csövön keresztül 2-6 liter/perc

sebességgel külső levegőt szív be, egy belső pumpa segítségével. A

szívás sebességét folyamatosan ellenőrzi, és elektronikusan az előre

beállított értékre szabályozza. Az Aethalometer egy kvarcrostos

szűrőtekercsen gyűjti a mintát, és közben különböző

hullámhosszakon folyamatosan méri az optikai transzmissziót. Ez

alatt a tekercs áll, nem mozdul. A tekercsen akkor léptet, amikor az

adott mintavételi helyen már túl sűrű a minta, vagyis a mintavételi

hely már túl fekete. A különböző Aethalometer modellek különféle

hullámhosszú fényekkel dolgoznak. A mintavételezési idő, és a

beszívási sebesség állítható. Gyors mintavételnél sok adatot

szerzünk, de sokkal zajosabb lesz, míg lassabb esetben simább

görbét kapunk, de kevesebb adatunk lesz. Nagy szívási sebességnél

simább görbét kapunk, de több szalagot fogyaszt, míg lassú szívásnál

tovább tart a szalag, de zajosabb az adatsor.

Az így végrehajtott feketeség-mérés csak a fent megnevezett

szenekre érzékeny. Nem érzékeny az organikus szénre, vagy egyéb

gyakori aeroszolra, amely jelentősen hozzájárul az aeroszol

össztömeghez, de optikailag nem abszorbeál. Az eddigi eredmények

azt mutatják, hogy a BC az egyetlen aeroszol, mely a teljes látható

tartományban abszorbeál. A mérési eredmény azonban nem lesz

hiteles, abban az esetben, amikor a részecskék közt nagyon sok az

ásványi por. Az ásványi pornak sokkal kisebb az abszorpciója mint a

BC-nek. De ha 100-szor, 1000-szer több por van, mint BC, akkor már

összevethetőek az abszorpciók. Ez esetben csak akkor lehet

28

különválasztani a kétféle aeroszolt, ha a szűrőt kémiai vizsgálatoknak

vetjük alá.

Az abszorpciós, szűrős módszerek azon alapszanak, hogy a

részecskék lerakódnak egy szűrőn. Ezáltal a mérést erősen

befolyásolja a szűrő tulajdonságai. A szűrő abszorpciós

karakterisztikája esetlegesen megnövelheti az abszorpciót a mérés

folyamán a szűrő anyagon és a szűrő anyagon/anyagban lévő

részecskéken való többszörös szórás által. A szórás irányfüggő lesz,

és a részecskék alakjai is megváltozik az ülepedéssel.

Legyen a szívás térfogati áramlási sebessége F, míg a szűrő

felülete A. A minta térfogata Δt idő alatt F*Δt , és az áramlási

sebesség F/A. Ekkor a levegőoszlop

(28)

hosszan keresztezi a szűrőt. Ha a részecskék nem szórnák a fényt,

akkor az ülepedett részecskék együttes abszorpciós együtthatója βabs

egyszerű optikai transzmissziós méréssel kiszámítható lenne. Az

optikai transzmissziós mérés a P0 sugárzási teljesítmény mérése a

részecskementes szűrőn keresztül, és a P sugárzási teljesítmény

mérése a részecskével töltött szűrőn keresztül. A két mennyiséget a

Beer törvény kapcsolja össze:

(29)

Így βabs:

(30)

A szűrőn gyűjtött részecskékhez tartozó előző két egyenlethez a

következő feltevéseket alkalmaztuk: a) az aeroszol szórása, és

abszorpciója nem változik, ha egy vékony rétegbe koncentráljuk a

részecskéket; b) a szűrőn történő szórás mértéke elhanyagolható,

vagy már benne van a βsca mennyiségben; c) a szűrőn/ben és a

részecskén/ben történő optikai jelenségek kölcsönhatása

elhanyagolható; d) a részecskék alakja a szűrőre kerülés után nem

változik meg, vagy ha mégis változik, ez nem befolyásolja az optikai

29

tulajdonságot. Amennyiben a részecskék nem szórnak, akkor βsca

ismert.

A mérés során a fény a rostos szűrőn gyűjtött mintán való

áthaladás utáni intenzitás gyengülést mérjük. Ez a mennyiség

egyenesen arányos lesz a szűrőn lerakódott BC mennyiséggel.

Legyen I0 a tiszta szűrőn áthaladó fény intenzitása, és I a már mintát

tartalmazó szűrőn áthaladó fényintenzitás. Ekkor az optikai

gyengülés (optical attenuation- ATN) definíciója:

(31)

Ahol a 100-as faktort önkényesen választották. Nélküle is leírná a

transzmissziós optikai sűrűséget, de így kényelmesebb, hiszen a

mérésnél is követhetőbb az eredmény helyessége. A fehér fényű

mérésnél ATN=1 esetben a kontraszt az üres és a töltött szűrő között

1%,vagyis alig észrevehető a különbség, míg az ATN=100 esetben

már egy sötétebb szürke folt jelenik meg a szűrőn.

A mérés kimenetét befolyásolja a felhasznált fény

hullámhossza, biztosítva, hogy a részecske mérete valamennyivel

kisebb legyen mint a fény hullámhossza. Egy széles sávban elnyelő

anyag –fekete szén- abszorpciója fordítottan arányos a felhasznált

fény hullámhosszával. Így egy adott [BC] tömegű feketeszén adott

hullámhosszú fénnyel való megvilágítása esetén:

(32)

ahol az abszorpciós hatáskeresztmetszet, ami

hullámhosszfüggő. Fajlagos gyengülésnek is szokták nevezni.

Az Aethalometer egy vagy több hullámhosszon üzemel, így

mérhetünk hullámhosszfüggő, és hullámhossztól független

fényintenzitásokat. Egy tiszta szűrőn átvilágítva az intenzitás:

(33)

ahol:

IL(λ): a fényforás kibocsátásának intenzitása

30

F(λ): a szűrőn áthaladó fény spektrális transzmissziófüggvénye

OC(λ): az összes optikai elemmen áthaladó fény spektrális transzmissziófüggvénye

D(λ): a detektor spektrális válaszfüggvénye

Ha ugyanezen berendezéssel, ugyanolyan, de már aeroszolt tartalmazó szűrővel

mérünk, akkor az intenzitás:

(34)

ahol az elnyelődés:

(35)

ahol [BC] a feketeszén mennyisége, melynek az abszorpciója

fordítottan arányos a hullámhosszal.

A (31)-ösbe behelyettesítve a (34)-ast, majd ebbe a (35)-est,

összevetve a (32)-ossal kapjuk a következő eredményt:

(36)

A fenti számítás alapvető feltételezése volt, hogy az abszorpció

egyenesen arányos az abszorbeáló anyag tömegével. Ez a közelítés a

valóságban a következő feltételek mellet érvényesülhet a

gyakorlatban:

a) a részecske jelentősen kisebb a hullám 2*π*λ méretparaméterénél,

b) a szűrőre ülepedett részecskék mennyisége nem olyan nagy, hogy

az abszorpció telítésbe megy

c) A részecskék optikailag szóró rostokba ágyazódnak be, azért, hogy

felszámoljuk a részecskéken való szóródás miatti

transzmissziócsökkenést, és hogy csak az abszorpcióra mutasson

érzékenységet.

Ezeknek a feltételeknek akkor teszünk eleget, mikor a

környezeti aeroszolt kvarcrostos szűrőtekercsen mintavételezzük, és

a mért optikai gyengülést (ATN) körülbelül 150 alatt tartjuk. Így lesz a

mért ATN egyenesen arányos a feketeszén mennyiségével, és az

arányossági tényező .

31

UVPM:Ahogy csökken a hullámhossz, úgy nő az abszorpciós

hatáskeresztmetszet. 400nm alatt erősen UV-abszorbensé válnak az

organikus komponensek. Az organikus komponensek összetétele igen

változatos, az abszorpciós hatásfok molekulánként a nagysággal

változik. Ha egy minta egy keverék, akkor nem lehet meghatározni

egy adott anyag mennyiségét. A mért optikai gyengülésben lesz egy

BC általi gyengülés -mely λ-val fordítottan arányos- és ehhez

hozzáadódik az organikus komponensek karakterisztikájából adódó

tag. Így módosul a (35)-es egyenlet:

(37)

ahol Pi(λ‘) az UV-abszorpció a λ‘ rövid hullámhosszon, Ci az i-edik komponens

mennyisége, és az összegzést az összes résztvevő komponense el kell végezni. Mivel

azonban nem tudjuk a keverék összetételét, ezek abszorpciós karakterisztikáit, ezért

nem tehetünk állítást az összetevők mennyiségére sem.

Ezért definiálunk egy optikai abszorpcióját tekintve BC-vel ekvivalens anyagot,

az UVMP-t a következőképp:

(38)

Így a (31) a következőképp módosul:

(39)

Az UVMP egy teljesen fiktív, kitalált anyag. Csupán a számítást

könnyíti meg. Ha a [BC] koncentrációra 800nm-en 1,5 jön ki, és

350nm-en [BC]+[UVMP] koncentrációra 2 jön ki, akkor ez nem azt

jelenti, hogy bármiféle organikus komponensből 0,5 van jelen.

Hanem ez azt jelenti, hogy UV mérés egy más fajta abszorpciót is

kimutatott, amelynek mértéke 0,5 BC abszorpciójával

egyenértékű.

32

Műszer működése:A műszer mér a fényforrás bekapcsolása előtt is, a kapott

értéket levonja a mért értékekből, hogy kiszűrje a háttérzajokat.

Egyszerre csak 1 fényforrás üzemel. Két detektor két különböző

ponton mér. Egyik a tiszta szűrő referenciajelét, míg a másik már a

mintával ellátott szűrőn áteresztett fényintenzitást méri, így

kiszűrhetőek az elektronikai fluktuációk.

Az ATN változás a BC változástól és a szigmától függ:

(40)

ahol a BC változás megadható:

(41)

Itt F a szívási sebesség, T 2 mérés közti idő, A a mérőfelület

nagysága, és [BC] a BC mennyisége.

Az Aethalometer működése lépésenként:

1. a kikapcsolt lámpa mellett megméri a referenciajel

hátterét (RZ), és a jel hátterét (SZ)

2. felkapcsolja a lámpát, megvárja míg stabilizálódik a

rendszer

3. megméri a referencia jelet (RB), és a jelet (SZ)

4.

5. megméri a szívási sebességet (F)

6. előre beállítot ΔT idő múlva megismétli az 1-5 pontot

7.

8. kiszámítja a szívott térfogatot

9. kiszámítja az átlagos BC mennyiséget az időszak alatt:

33

10. újrakezdi a kört, úgy, hogy ATN(T)-t a következő kör

ATN(0)-ának veszi

Aethalometer korrekció:Mint láttuk a feketeszén mennyiségét a következőképp

határozhattuk meg:

(42)

Itt feltételezett, hogy az ATN és a BC között egyenes

arányosság van, pedig ismert tény, hogy a kapcsolat nem lineáris.

Ennek többek között az az oka, hogy mind szóró, mind abszorbeáló

részecskéket gyűjtünk a szűrőn, amik belső tükrözésekkel

megváltoztatják az aeroszol-szűrő kombináció abszorpcióját. Két fő

következménye lesz: 1) ahogy a sötétedik a szűrő – vagyis nő az ATN

-, a mért BC érték egyre jobban a valódi BC érték alá kerül; 2) a szóró

aeroszolt is BC-nek érzékeljük. Ezek közül az 1)-nek van nagyobb

jelentősége. Ezeket tapasztalati korrekciós függvényekkel szokták

figyelembe venni. Újabb műszereket úgy tervezik, hogy az aeroszol

szórását és abszorpcióját is figyelembe vegye.

Olyan korrekciós algoritmust találtunk, mely nem veszi

figyelembe a szórást, mivel nincs olyan műszerünk, mely a szórást is

méri. Az algoritmus alapja a Virkkula et al. [1] által PSAP-ra (Particle

Soot Absorption Photometer) kiszámolt tapasztalati korrekciós

formalizmus:

(43)

ahol k0, k1, és s tapasztalati konstansok, α0 a korrigálatlan abszorpciós

hányados, és αSP a szórási együttható. Felhasználva az ATN

definícióját:

(44)

Az Aethalometer által mért adatoknál az

egyszerűség miatt ezt használjuk a továbbiakban. Legyen a k0=1, és

s=0 mivel a szórást nem ismerjük. Így leegyszerűsödik a képlet:

34

(45)

Vagyis a BC korrigálva:

(46)

ahol BC0 az Aethalometer által kimért korrigálatlan adat. Mikor a

szűrő a mérés helyén olyan telítetté válik, hogy az ATN eléri az előre

beállított értéket, akkor a műszer léptet a szűrőszalagon, változtat a

mérés helyén. A k értékét minden egyes pontra ki kell számítani,

hogy BC értéke folytonos legyen:

(47)

ahol ti,vég a léptetés előtti utolsó értékhez tartozó idő, míg t i,kezdet a

léptetés utáni első méréshez tartozó idő. A (40)-be behelyettesítjük a

(39)-et:

(48)

Ez tovább egyszerűsíthető, ha feltételezzük, hogy a friss szűrőn való

első mérésre ATN≈0. Így:

(49)

A gyakorlatban ATN sose pontosan nulla, kivéve ha a BC koncentráció nulla. A BC

adatok is zajosak a műszer elektromos zajaitól, illetve a BC koncentráció tényleges

instabilitásától. Ezért a k faktor számításánál 1 perces mintavételezési idő mellett a

léptetés előtti és utáni 3 mérés eredményének átlagát vesszük figyelembe, míg 5 perces

mintavételezési idő mellett a léptetés előtti és utáni 2 mérés eredményének átlagát

vesszük figyelembe. Amennyiben az aeroszol jelentős mennyiségű

feketeszenet tartalmaz, akkor a közelítés nem használható, a

léptetés utáni ATN biztosan nagyobb, mint nulla. Ez esetben a (41)

egyenletet kell alkalmazni.

Kísérletek azt mutatták, hogy olyan helyen, ahol a koncentráció

gyorsan változik, érdemes a k értéket az összes k érték átlagának

venni. k gyakorta negatívvá is válhat, ekkor a mért adatok értékei

nagyobbak, mint a korrigált adatoké. Évszakonként is változik a k:

35

nyáron a k alacsony, gyakran negatív, és függ a hullámhossztól, míg

télen a k értéke magasabb a nyárinál, ritkán negatív, és nem

hullámhosszfüggő.[2]

Aeroszol spektrométer:

A Grimm aeroszol spektrométer működési elrendezése a fenti

ábrán látható. Az átfolyó levegőt egy λ = 655 nm hullámhosszú lézerrel

világítja meg, melynek maximális teljesítménye Pmax = 40 mW. A levegőben lévő

részecskéken a fény szóródik. Egy homorú tükör segítségével a megvilágításra

merőleges irányban szórt fényt a detektorba juttatja. A detektor a méri a fény

intenzitását, és egy táblázatban tárolt, előre kiszámolt értékekkel összeveti, és

megkeresi a leginkább rá hasonlítót. Vagyis a táblázatbeli csoportok számától, az ott

kiszámított értékek számától függ, hány darab mérettartomány van, illetve mekkorák

ezek. Modernebb műszer esetében (pl. DWOPS) a részecskét több irányból,

más-más hullámhosszú fényekkel világíthatjuk meg, és több

detektorral több szögből vizsgálhatjuk a szórást. A több irány és több

hullámhossz miatt pontosíthatóak a táblázatok is, és könnyebb

meglelni a leginkább hasonló értéket.

A műszer adatbázisában található értékeket Mie szórás alapján számították ki,

gömbi részecskéket feltételezve. Mivel a Mie szórt fény intenzitásának szögfüggése a

mérettel változik, ezért egy adott pont körül mért intenzitásból következtethetünk az

átfolyó részecske méretére. A következő ábrán látszik, hogy a kisebb részecskék

leginkább 0o és 180o-ban szór. Növelve a részecske méretét a többi szögben is nő az

36

5.ábra: Grimm aeroszol spektrométer működési elrendezése

intenzitás. A különböző méretű részecskék számából meghatározható a részecskék

méret szerinti eloszlása.

37

6.ábra: különböző méretű részecske esetén a Mie szórás szögfüggése

Méréseink eredménye

Grimm aeroszol spektrométer:Az aeroszol méreteloszlását harminc csatornás Grimm aeroszol

spektrométerrel határoztuk meg. Egy ilyen mérés kiértékelését

ismertetném. Ezen mérésből az adatokat log-log skálán ábrázoltuk:

0

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1 10 100 1000 10000 100000

átmérő (nm)

gy

ak

ori

sá

g (

db

)

Ezek diszkrét érték. Folytonossá úgy tehetjük, hogy az részecskék számát

elosztjuk a hozzátartozó logaritmikus mérettartománnyal. Ha D az adott

mérettartomány szélessége, és N darab részecske van ezen mérettartományban, akkor

az eloszlásfüggvényt a következőképp kaphatjuk meg:

(49)

A függvényt ábrázolhatjuk:

38

7.ábra: részecskék diszkrét méreteloszlása log-log skálán

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

1 10 100 1000 10000 100000átmérő (nm)

gya

kori

ság

(d

b)

Ez a függvény -logaritmikus mérettartomány-szélességgel- elvileg, az

egymástól független események előfordulása miatt a valószínűség-számításból Gauss

függvény alakú. Ezen a grafikonon az aeroszol általános méreteloszlása alapján két

Gauss függvény összege látható (finom+durva méretfrakció). A mért pontokra így két

Gauss függvény összegét illeszthetjük. A Gauss függvénynek 3 paramétere van:

függvény alatti terület, a maximumának helye, és a félértékszélessége. Láthatjuk, hogy

250 nm alatti részecskéket nem tudtuk mérni a műszerrel a Rayleigh-szórás

hatáskeresztmetszetének mérettel való gyors csökkenése miatt. Így az egyik Gauss

függvényről csupán hiányos információink vannak.

A hiányzó információt kiegészítő méréssel szereztük meg. Nevezetesen mértük

a részecskék teljes darabszámát a 5 nm – 1000 nm tartományban. E mérés

kondenzációs részecskeszámlálóval történt (Condensation Particle Counter, CPC),

mely a beszívott levegőt telített alkoholgőzön vezeti keresztül. Az alkohol

lekondenzálódik a kis részecskéken, és így az alkohol megnöveli az adott részecske

méretét. Ezáltal az eddig túl kicsinek számító részecskék számát is mérhetővé teszi, de

így a méretre vonatkozó információ elveszett számunkra. A CPC-vel megtudhatjuk a

két Gauss függvény területeinek összegét, és így már elég információval rendelkezünk,

hogy két Gauss függvényt illesszünk a pontokra:

39

8.ábra: részecskék folytonos méreteloszlás-függvénye

Itt az illesztett két Gauss-függvény paraméterei a következőek:

N 7826226 1200M 124,9925 1300sD 0,202053 0,27

ahol N a Gauss-függvény alatti terület, m a maximumhely, és sD pedig a

félértékszélesség. Az illesztést a legkisebb négyzetek módszerével számítottuk,

vagyis a paramétereket úgy módosítgattuk, hogy a kifejezés

minimumát megtaláljuk.

Mint látható, ezen módszerrel a két illesztett Gauss-függvény a részecskék

méreteloszlásnál használt módusokra hasonlít. Így a részecskék három módusa közül

kettőt most ki is mutattunk. Ki tudtuk mutatni, hogy az adott módusban mennyi

részecske van, és az adott módusban mekkora méretűek a leggyakoribb részecskék, és

ennek szórását.

Aethalometer:Az Aethalometer által mért adatokon a korábban már bevezetett közelítést

alkalmaztam. A mért adatok ez esetben városi háttérből, a KFKI telephelyről

származtak. Az adatsor 2009 május 4-én lett rögzítve, 2 perces mintavételezési idővel.

Itt csak az általunk mért legrövidebb hullámhosszon, 370nm-en mért adatokat mutatom

be szemléltetésként.

40

9.ábra: A mért adatokra illesztett Gauss-függvények kiadják a módusokat

Mért érték

Illesztés

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701mérési pont (db)

kon

cetr

áció

(n

g/m

^3)

A grafikon y tengelyén a BC koncentrációja található mértékegységgel, míg

az x tengelyen a mérés sorszáma található. Ha a sorszámot megszorozzuk kettővel,

visszakaphatjuk, hogy hányadik percben történt az esemény. Az ábrán láthatóak

szakadások a BC koncentrációban, ezek a szalag léptetésénél fordulnak elő. Minden

szakadás 4 mérőpontnyi, azaz 8 perc hosszú.

Az ábrán jól megfigyelhető az a jelenség, hogy a szakadás –szalagléptetés-

előtti illetve utáni adatsor nem tűnnek egymás folytatásának, a grafikon meredeksége

szakadás baloldalán, illetve a jobboldalán nem egyezik. Kinagyítva a szakadásokat ez

látható:

41

10.ábra: 370 nm-es mérés esetén a BC koncentráció

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 41 81 121 161mérési pont (db)

BC

ko

nc

en

trá

ció

(n

g/m

^3

)

Ha megfigyeljük a nagyított ábrán a 140-dik pontnál lévő szakadás elötti és

utáni állapotot, akkor jól látható egy gyakorta előforduló furcsaság: a szakadás előtt, és

után csökkenő tendenciát mutat a koncentráció, viszont a koncentráció a szakadás után

egy nagyot (4500-->7500 ) ugrott. A szakadás mérete csupán 4 pont, nem

valószínű, hogy a BC koncentráció 8 perc alatt ennyit változott volna. Vagyis ez nagy

valószínűséggel a műszer hibája, hiszen rendszeresen előforduló jelenségről van szó. A

műszer feltételezi, hogy az ATN és a BC között egyenes arányosság

van, pedig ismert tény, hogy a kapcsolat nem lineáris. Ennek többek

között az az oka, hogy mind szóró, mind abszorbeáló részecskéket

gyűjtünk a szűrőn, amik belső tükrözésekkel megváltoztatják az

aeroszol-szűrő kombináció abszorpcióját. Belejátszhat még az is eme

jelenségbe, hogy párolgó anyagok is fennakadtak a szűrőn, amik a

két léptetés közötti időben (az ábrán az első mérési szakasz ~4, a

második ~2 órás) bizony elpárolognak. Ezt a nem linearitást próbálja

meg kiküszöbölni a már közölt korrekció. A mérési szakaszokhoz

kiszámítottam a k értékeket a (48)-as egyenlet alapján. A k

42

11.ábra: a léptetések kinagyítása

értékekhez kiszámítottam a korrigált BC értékeket a (45)-ös egyenlet

alapján. Az eredmény a 12.ábrán látható.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701mérési pont (db)

kon

cen

trác

ió (

ng

/m^

3)

370nm

BC korrigált

Látható, hogy a korrigált koncentráció értékek csak a léptetés utáni 10-20

mérési pontban marad a mért értékkel azonos, majd –amíg a k-ra pozitív jön ki- a mért

érték felett helyezkedik el. Látható, hogy ahol a szadás elött, és után a BC értéke

magasabb, ott a k értéke is magyobb lesz, és ott várhatóan nagyobb lesz a különbség a

korrigált és a mért erdemény között. Ez a módszer nem használható olyan környezetben

mért adatokon, ahol a mért BC értéke nagyon gyorsan változik, mivel így a k értéke az

adott módszerrel nem lesz megfelelő.

43

12.ábra: mért, korrigált adatok összevetése

Konklúzió

A szakdolgozatomban ismertettem a részecskék fényszórásának, illetve az

abszorbciójának jelenséget. Bemutattam szóráson és elnyelésen alapuló műszereket: az

aeroszol spektrométert, és az Aethalometert. Ezeknek ismertettem a belső működését,

belső fizikáját. Majd egy-egy szemléletes példán bemutattam az adatok kiértékelésének

módját. Az aeroszol spektrométerrel a különféle aeroszol módusok méreteloszlását

tudhatjuk meg, míg az Aethalometer a feketeszén mennyiségének meghatározására

használatos. Mindkét műszernél akadnak hiányosságok, problémák, amelyet meg kell

oldani.

Az aeroszol spektrométernél fizikai problémába ütköztünk, ugyanis a műszer a

kis méretű részecskéket nem tudta mérni, a Rayleigh-szórás hatáskeresztmetszetének

mérettel való gyors csökkenése miatt. Ezen problémát egy másik aeroszol számláló

berendezés (CPC) alkalmazásával hidaltuk át, mely kondenzáció révén megnövelte a

részecskék méretét, így tájékoztatást nyújtott a teljes részecskeszámról. A CPC

méréssel együtt már elegendő adat állt rendelkezésre, hogy az aeroszol spektrométer

által mért pontokra két Gauss függvény összegét illesszük.

Az Aethalométernél a nagyobb betöltöttségű szűrő esetében fellépő többszörös

szórások, belső tükrözések, és párolgások okoztak problémát. Erre egy matematikai

korrekciót alkalmaztunk, mellyel kiküszöböltük a hibákat és korrigáltuk a mérési

adatsort.

Habár mindkét esetben láthatóan vannak hiányosságok és problémák, a

megfelelő fizikai és matematikai korrekciókat alkalmazva, ezen módszerek kiválóan

alkalmazhatóak a városi légszennyezettség vizsgálatában. A mérések eredményei

nagyban hozzájárulnak a környezetvédelmi, meteorológiai, és az egészségügyi

elemzésekhez.

44

Felhasznált irodalom

[1] Modification, calibration and a field test of an instrument for

measuring light absorption; Virkkula, A.; Ahlquist, N. C.; Covert, D.S.;

Arnott, W.P.; Sheridan, P.J.; Quinn, P.K.; Coffman, D.J Aerosol Sci.

Technol. 2005, 39, 40-51

[2] A simple procedure for correcting loading effects of

aethalometer data; Aki Virkkula, Timo Mäkelä, Risto Hillamo, Tarja Yli-

tuomi, Anne Hirsikko, Kaarle Hämeri, Ismo K. Koponen, ISSN: 1047-

3289 ; Doi: 10.3155/1047-3289.57.10.1214 ; J. Air& waste manage

Assoc. 57:1214-122, 2007

[3] Light absorption by carboneous particles: an investigative

review; Bond T, Bergstrom R, Aerosol Sci. Tech. 2006, 40:27-67

[4] Aerosol light absorption and its measurement: a review; H.

Moosmüller, R.K.Chakrabarty, W.P. Arnott ; Journal of Quantitative

Spectroscopy & Radiative Transfer; doi:10.1016/j.jqsrt.2009.02.035 ;

PII: S0022-4073(09)00087-9 ; Reference: JQSRT 3246

[5] Absorption and Scattering of Light by Small Particles; Craig

F. Bohren, Donald R. Huffman; A Wiley-Interscience publication ;

ISBN: 0-471-05772-X;

[6] Principles of Optics: Electromagnetic theory of propagation

interference and diffraction of light ; Max Born, Emil Wolf ; Cambridge

University Press; ISBN: 0 521 63921 2 paperback

[7] Mészáros Ernő: Levegőkémia ; Veszprémi egyetemi kiadó

VE 32/1997

[8] hivatalos Aethalometer felhasználói kézikönyv,

megszerezhető innen:

http://www.mageesci.com/support/downloads/Aethalometer_book_20

05.07.03.pdf

[9] Grimm spektrométer datasheet, megszerezhető innen:

http://grimm-aerosol.com/Indoor-Air-Quality/1109-

research.html

45

[10] Numerical and experimental study of the performance of the dual wavelength optical particle spectrometer (DWOPS); A. Nagy,W.W. Szymanski, P. Gál, A. Golczewski, A. Czitrovszky; Received 21 August 2006; received in revised form 1 February 2007; accepted 14 February 2007 ;

46