Technologia pomiaru

Nie wchodząc w naukowe szczegóły pomiaru zawartości pyłów zawieszonych w powietrzu, warto mieć na uwadze, że badania te są bardzo skomplikowane. Precyzyjne wyznaczenie zawartości pyłów zawieszonych wymaga podania ilości lub masy cząstek danego typu przypadających na jednostkę objętości powietrza. Przyjęty został szeroko akceptowany podział na pył opadający – o średnicy cząstek powyżej 10 μm – oraz pył zawieszony o średnicy cząstek do 10 μm. Taka granica wielkości cząstek nie została ustalona dowolnie. Należy pamiętać, że cząstki o wielkości poniżej 10 μm są tak małe, że mogą przenikać głęboko do dróg oddechowych i płuc stwarzając realne zagrożenie dla zdrowia. Naturalnie, nie wszystkie cząstki pyłu są bardzo szkodliwe – pył zawieszony różni się znacznie składem fizycznym i chemicznym, źródłem i wielkością cząsteczek.

W pyle zawieszonym, a więc o wielkości cząstek poniżej 10 μm, rozróżnia się dodatkowo cząstki grube – o średnicy powyżej 2.5 μm (a mniejszej od 10 μm), oraz drobne – o średnicy 0.1 μm a mniejszej od 2.5 μm. Termin średnica jest tutaj używany umownie – cząstki mają nieregularne kształty, a porównuje się je poprzez odniesienie do cząstki o kształcie kuli o takich samych własnościach aerodynamicznych co rzeczywista cząstka.

Wojewódzki Inspektorat ochrony Środowiska przytacza kilka kluczowych informacji na temat pyłów zawieszonych:

Pył PM2.5 zawiera cząstki o średnicy mniejszej niż 2.5 mikrometra, które mogą docierać do górnych dróg oddechowych, płuc oraz przenikać do krwi. Docelowa wartość średnioroczna dla pyłu PM2.5 wynosi 25 ug/m3, poziom dopuszczalny 25 ug/m3, a poziom dopuszczalny powiększony o margines tolerancji dla 2012 r. 27 ug/m3.Największą emisję pyłów powoduje spalanie węgla w starych i często źle wyregulowanych kotłach i piecach domowych oraz w dużych miastach komunikacja. Spalanie odpadów w tych kotłach, które choć jest nielegalne i powoduje poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi, jest praktykowane przez niektórych mieszkańców. Emisja pyłów powodowana jest również przez przemysł, szczególnie energetyczny, chemiczny, wydobywczy i metalurgiczny, ale ze względu na wysokość emitorów oraz obowiązujące przepisy prawne regulujące dopuszczalne wartości emisji, źródła te mają zwykle dużo mniejszy wpływ na jakość powietrza.
Pyły o średnicy poniżej 10 mikrometrów absorbowane są w górnych drogach oddechowych i oskrzelach. Inhalowane do płuc mogą powodować różne reakcje ze strony ustroju np. kaszel, trudności z oddychaniem i zadyszkę, szczególnie w czasie wysiłku fizycznego. Przyczyniają się do zwiększenia zagrożenia infekcjami układu oddechowego oraz występowania zaostrzeń objawów chorób alergicznych np. astmy, kataru siennego i zapalenia spojówek. Nasilenie objawów zależy w dużym stopniu od stężenia pyłu w powietrzu, czasu ekspozycji, dodatkowego narażenia na czynniki pochodzenia środowiskowego oraz zwiększonej podatności osobniczej. Drobne frakcje pyłów mogą przenikać do krwioobiegu, a dłuższe narażenie na wysokie stężenia pyłu może mieć istotny wpływ na przebieg chorób serca (nadciśnienie, zawał) lub nawet zwiększać ryzyko zachorowania na choroby nowotworowe, szczególnie płuc. Nowe dane świadczą o ujemnym wpływie inhalowanego pyłu na zdrowie kobiet ciężarnych oraz rozwijającego się płodu (niski ciężar urodzeniowy, wady wrodzone, powikłania przebiegu ciąży).
Pyły o średnicy poniżej 2.5 mikrometra (tzw. pyły drobne) absorbowane są w górnych i dolnych drogach oddechowych i mogą również przenikać do krwi. Podobnie jak pyły z grupy PM10 mogą powodować kaszel, trudności z oddychaniem i zadyszkę, szczególnie w czasie wysiłku fizycznego.

Pył PM10 składa się z mieszaniny cząstek zawieszonych w powietrzu, będących mieszaniną substancji organicznych i nieorganicznych. Pył zawieszony może zawierać substancje toksyczne takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (np. benzo/a/piren), metale ciężkie oraz dioksyny i furany. Pył PM10 zawiera cząstki o średnicy mniejszej niż 10 mikrometrów, które mogą docierać do górnych dróg oddechowych i płuc. Poziom dopuszczalny dla stężenia średniodobowego wynosi 50 ug/m3 i może być przekraczany nie więcej niż 35 dni w ciągu roku. Poziom dopuszczalny dla stężenia średniorocznego wynosi 40 ug/m3, a poziom alarmowy 200 ug/m3.

Cząstki pyłów zawieszonych dodatkowo podzielić można ze względu na miejsce w drogach oddechowych, do którego docierają:

  • frakcję wdychaną – cząstki wdychane przez nos i usta
  • frakcję tchawiczną – cząstki przedostające się poza krtań
  • frakcję respirabilną – cząstki wnikające do pęcherzyków płucnych

wykres-1

Wśród metod pomiarowych, umożliwiających określenie zawartości pyłów zawieszonych w powietrzu, wyróżnić można trzy podstawowe grupy: grawimetryczne, optyczne oraz mikro-równowagowe. Podział ten nie wyczerpuje oczywiście klasyfikacji dużej liczy metod pomiarowych.

Metody grawimetryczne uznawane są za najbardziej dokładne i szeroko stosowane jako metody referencyjne. W metodach grawimetrycznych powietrze przepuszczane jest przez komorę pomiarową wyposażoną w zestaw filtrów. Na podstawie pomiaru wagi filtra przed i po pomiarze, jak również ilości powietrza przepompowanego przez komorę w trakcie badania, określana jest zawartość pyłu zawieszonego. Ten sposób pomiaru stosowany jest szeroko w Europie, czy USA. W Polsce pomiary metodą grawimetryczną prowadzone są w około 160 punktach pomiarowych dla pyłu PM10 oraz około 60 dla pyłu PM2.5. Dokładność tej metody pomiaru uzyskiwana jest kosztem czasu i ceny badania. Skomplikowany proces przygotowania filtrów w kontrolowanych warunkach, transportu do/ze stacji pomiarowej oraz konieczność precyzyjnego pomiaru wagi w laboratorium są głównymi wadami tej metody.

Metody optyczne bazują na oświetlaniu cząstek pyłu wiązką świetlną oraz analizie zjawisk towarzyszących. Szeroko stosowane są metody bazujące na pomiarze światła odbitego od cząstek pyłu. W urządzeniach pracujących w oparciu o metody optyczne wykorzystuje się źródło światła, które zwykle ma postać diody emitującej wiązkę o założonych parametrach (m.in. założonej długości fali świetlnej), oraz detektor (zwykle fototranzystor). W trakcie pomiaru urządzenie oświetla komorę pomiarową poprzez impuls świetlny, a detektor rejestruje odbicie od cząstek pyłu. Na podstawie informacji z detektora możliwe jest określenie ilości cząstek o (w przybliżeniu) założonej wielkości w jednostce objętości powietrza. Dodatkowe sterowanie układem pomiarowym, np. sterowanie długością trwania i intensywnością oświetlenia, a także zastosowanie różnych źródeł światła, pozwala na uzyskanie dobrej jakości wyników w krótkim czasie. Metody optyczne stosowane są w urządzeniach przenośnych (np. Protinus czy DustTrack) dzięki szybkości pomiaru i małemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną.

Metody mikro-równowagowe polegają na zbieraniu cząstek o określonej wielkości za pomocą odpowiednio dobranych filtrów. W trakcie pomiaru dokonuje się oszacowania częstotliwości rezonansowej drgań filtra, która ulega zmianie na skutek zwiększenia masy spowodowanej zbieraniem się cząstek pyłu. Zmiana częstotliwości jest następnie przeliczana na masę cząstek. Metody te umożliwiają prowadzenie pomiarów w krótkich odstępach czasu, jednak ich dokładność zależy od szeregu czynników takich jak rozdzielczość pomiaru częstotliwości rezonansowej, wilgotności temperatury i innych.

Inspekcja Ochrony Środowiska bada zawartość pyłu zawieszonego PM10 i PM2,5 w powietrzu stosując dwie uzupełniające się metody:

Metoda automatyczna, równoważna do referencyjnej – W tym wypadku stosuje się mierniki automatyczne różnego typu. Mierniki te na bieżąco mierzą stężenia pyłu, co umożliwia pokazywanie wyników tych pomiarów w trybie „on-line” na portalach inspekcji ochrony środowiska (GIOŚ i WIOŚ) i w aplikacji GIOŚ „Jakość powietrza w Polsce”. Dane, te są aktualizowane co godzinę i w celu porównania z poziomem dopuszczalnym przeliczane na wartości średniodobowe.

Te dane są określane jako dane „surowe” czyli takie, które nie zostały poddane weryfikacji.