WYKORZYSTANIE RÓśNYCH FORM OPADÓW I OSADÓW

CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
81
Marek Błaś1, śaneta Polkowska2, Mieczysław Sobik1, Kamila Klimaszewska2, Kamil Nowiński3
i Jacek Namieśnik2
1
Katedra Meteorologii i Klimatologii
Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego
Uniwersytet Wrocławski
ul. Kosiby 8, 51-670 Wrocław
2
Katedra Chemii Analitycznej
Wydział Chemiczny
Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk
email: [email protected]
3
Katedra Limnologii
Instytut Geografii
Wydział Biologii, Geografii i Oceanologii
Uniwersytet Gdański
ul. R. Dmowskiego 16 A, 80-264 Gdańsk
WYKORZYSTANIE RÓśNYCH FORM OPADÓW I OSADÓW
ATMOSFERYCZNYCH DO OCENY ZANIECZYSZCZENIA ŚRODOWISKA
W RÓśNYCH REGIONACH GEOGRAFICZNYCH POLSKI - CZĘŚĆ I - MGŁA
VARIOUS FORMS OF ATMOSPHERIC PRECIPITAION AND DEPOSITS
AS A MEASURE OF ENVIRONMENTAL POLLUTION
IN DIFFERENT GEOGRAPHIC REGIONS OF POLAND - PART I - FOG
Streszczenie: Wykonano badania zebranych próbek opadu zawieszonego (mgła) w celu oznaczenia w nich poziomu
zawartości wybranych związków organicznych i nieorganicznych. Próbki pobierano w dwóch punktach na terenie Polski.
Miejsca pobierania próbek podzielono ze względu na ich róŜny charakter: teren nizinny i szczyt górski. Stwierdzono obecność
wybranych zanieczyszczeń na róŜnych poziomach stęŜeń w próbkach mgły oraz Ŝe poziom ten zaleŜy od lokalizacji,
ukształtowania terenu i warunków meteorologicznych, jakie panowały w okresie pobierania próbek.
Słowa kluczowe: mgła, zanieczyszczenia, parametry meteorologiczne
Summary: Research on suspended precipitation (fog) samples was made in order to determine the concentration level of
selected organic and inorganic compounds. The samples were collected at two sampling points in Poland. The sampling sites
were divided according to the type of land topography: lowland area and mountain summit. On the basis of the conducted
research it was concluded that the selected pollutants were determined on different concentration levels in fog samples and this
level depends on location, land topography and meteorological conditions prevailing during the sampling period.
Keywords: fog, pollutants, meteorological conditions, land topography
Wstęp
Atmosfera jest tym podstawowym elementem
środowiska, który charakteryzuje się znacznie łatwiejszą
migracją zanieczyszczeń, w porównaniu z hydrosferą
i litosferą. Na skutek ruchów mas powietrza
zanieczyszczenia mogą być łatwo przenoszone na duŜe
odległości z dala od punktów emisji. Podlegają one równieŜ
róŜnym procesom chemicznym, ale ostatecznie powracają na
powierzchnię ziemi, między innymi wraz z opadami
atmosferycznymi.
Mokra
depozycja
zanieczyszczeń
z atmosfery jest definiowana jako naturalny proces
przechwytywania zanieczyszczeń przez chmury i opady
atmosferyczne, w wyniku czego zanieczyszczenia
doprowadzane są do podłoŜa [1]. Do form mokrej depozycji
zalicza się róŜne formy osadów i opadów atmosferycznych
82 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
między innymi mgłę, sadź i szron, które powstają w wyniku
kondensacji pary wodnej znajdującej się w atmosferze. Mgłą
nazywa się rodzaj chmury powstający nad powierzchnią
gruntu, w warunkach mieszania się ciepłego, wilgotnego
powietrza z powietrzem zimniejszym. Najczęściej powstaje
ona w przejściowych okresach pór roku (jesień-zima i zima-wiosna). W zetknięciu z powierzchnią podłoŜa
o temperaturze poniŜej 0°C krople mgły zamarzają, tworząc
sadź [2]. Od jakiegoś czasu obserwowany jest wzrost
zainteresowania analityką chemiczną mgły ze względu na
występujące tam duŜo większe poziomy stęŜeń
zanieczyszczeń w porównaniu na przykład z próbkami
deszczu. Do tej pory w Polsce zajmowano się jedynie
warunkami klimatycznymi potrzebnymi do powstawania
oraz częstością występowania mgły na terenach górzystych
(Sudety Wschodnie, Szrenica) [3, 4]. Nie badano jednak ich
chemizmu.
W rejonach uprzemysłowionych zachodzi potrzeba
ciągłego
monitorowania
poziomu
zanieczyszczeń
występujących w powietrzu, poniewaŜ ich stęŜenia są duŜo
większe niŜ na innych obszarach. WaŜne informacje na temat
stanu atmosfery moŜna uzyskać równieŜ na podstawie
wyników analizy próbek osadów atmosferycznych, których
zaletą jest występowanie w formie ciekłej. Problemem są
niewielkie objętości zbieranych próbek, co wymaga
zastosowania odpowiednich technik analitycznych.
mgły [2]. Mgła jest zawiesiną bardzo małych
(mikroskopijnych) kropelek wody w powietrzu, które
powstały wskutek ochładzania przygruntowej warstwy
atmosfery. Ze względu na sposób ochładzania rozróŜnia się
dwa główne rodzaje mgły: mgłę radiacyjną i adwekcyjną [5].
Mgła radiacyjna powstaje podczas bezchmurnej
pogody, gdy zimniejsze masy powietrza ochładzają
powietrze tuŜ przy gruncie wskutek przewodnictwa
cieplnego. Mgły tego rodzaju mają niewielką wysokość (do
200 m), występują nad zagłębieniami terenu, obszarami
podmokłymi i zbiornikami wody. Zazwyczaj po wschodzie
słońca (gdy temperatura powietrza wzrośnie) pręŜność pary
oddala się od stanu nasycenia i kropelki wody wyparowują
do atmosfery, mgła zanika [5].
Mgła adwekcyjna powstaje wskutek napływu
cieplejszych mas powietrza ponad ochłodzoną powierzchnię
terenu. Zajmują duŜo większe obszary niŜ mgły radiacyjne
i sięgają do 800 metrów [5].
WaŜną charakterystyką stanu mgły (chmury) jest
wodność. Definiuje się ją jako masę ciekłej lub zestalonej
wody przypadającą na jednostkę objętości chmury. Wodność
chmur (mgieł) jest waŜnym parametrem określającym stan
chemiczny atmosfery. Z iloczynu wodności i stęŜenia danej
substancji moŜna określić poziom zanieczyszczenia chmur
[6].
Warunki powstawania mgły
Powstawanie oraz morfologia mgły
Zjawisko mgielne to przypominające chmurę opary,
które moŜna zaobserwować w godzinach wieczornych,
nocnych i porannych tuŜ nad ziemią lub na niewielkiej
wysokości. Mgła występuje wtedy, gdy ilość kropelek wody
w powietrzu powoduje, iŜ staje się ono nieprzejrzyste.
W przypadku intensywnej mgły, gdy przybiera ona postać
mŜawki, widzialność moŜe zmniejszyć się nawet do
5 metrów. W meteorologii przyjęto, Ŝe widoczność mniejsza
niŜ na 1 kilometr na danym obszarze oznacza występowanie
Podstawową przyczyną powstawania mgły jest
mieszanie się ciepłego, wilgotnego powietrza z powietrzem
zimniejszym lub teŜ zaleganie wilgotnego, ciepłego
powietrza nad oziębionym podłoŜem. W takim przypadku
zachodzi proces oziębiania izobarycznego ciepłego
powietrza, gdy temperatura spadnie poniŜej punktu rosy,
następuje kondensacja pary wodnej, w wyniku której formują
się mikroskopijne kropelki utworzone na zarodkach
kondensacji. Mgła powstaje w odpowiednich porach dnia
i roku oraz przy określonych warunkach pogodowych [2, 7].
Tabela 1. Podstawowe informacje o poszczególnych typach mgły [3]
Rodzaj mgły
Miejsce powstania
Nad jeziorem w głębi lądu
Powierzchnie zbiorników wodnych
Przyziemna
Równiny i doliny górskie
Wywołana parowaniem
Wszędzie, zwłaszcza drogi
Nad rzekami
Nad wodą
Wywołana mrozem
Łąki i pola uprawne
Zimą przy silnym mrozie
Po burzy
Lasy
W lecie po opadach burzowych
Nad brzegiem morza
Morza i tereny nadbrzeŜne
Nad mokradłami
Smog
W dolinach
W postaci chmury
Tereny wilgotne, bagna
Tereny miast o duŜym zagęszczeniu
ludności (miasta uprzemysłowione)
Dna dolin, tereny pagórkowate,
w górach doliny
Góry średnie i Alpy
Czas powstania
Godziny wieczorne, nocne i poranne, jesienią
zimą i wiosną
Godziny wieczorne, nocne i poranne, jesienią
zimą i wiosną
Po deszczu, gdy słońce ogrzewa ziemię
Późne lato do wiosny; wieczorem, nocą
i wczesnym rankiem
Wszystkie pory roku
Wszystkie pory roku; nie jest powiązana
z porą dnia oraz rodzajem pogody
Przede wszystkim jesienią i zimą; takŜe
w ciągu dnia
Wieczorem, nocą i ranem; wszystkie pory
roku
Wszystkie pory roku; przy chłodnej
i wietrznej pogodzie
Okoliczności towarzyszące
Przy 0oC; śliskość szronowa i gołoledź
Występuje nagle; utrzymuje się zimą
takŜe w ciągu dnia
Często wysoka tylko na kilka metrów
Szczególnie silna od listopada do
stycznia
Jest to „sucha” mgła, która nie powoduje
oblodzenia
Występuje nagle i jest ograniczona
terenowo
Mgła „zmieszana”, przenoszona przez
wiatr od morza w głąb lądu
Często wysoka tylko na kilka metrów
Mgła jest nasycona cząstkami dymu
i sadzy
Oznaki zbliŜającej się mgły to unoszące
się jej strzępki
Mgła „zmieszana”, często opadająca
z kropelkami deszczu; zimą gołoledź
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Występuje ona najczęściej w okresach przejściowych
pór roku (jesień-zima i zima-wiosna). W tabeli 1
przedstawiono rodzaje mgły w zaleŜności od miejsca, czasu
i okoliczności powstania.
Wpływ mgły na środowisko
Mgła moŜe wywierać zarówno pozytywny, jak
i negatywny wpływ na róŜnego rodzaju materiały
(tworzywa), wegetację roślin, ich zbiory oraz zdrowie ludzi.
Występowanie mgły znacznie utrudnia widoczność, co
utrudnia transport i komunikację zwłaszcza w lotnictwie [8].
Odgrywa waŜną rolę w bilansie promieniowania, poniewaŜ
odbija i absorbuje promieniowanie emitowane przez słońce
oraz ze względu na zdolność do zmian właściwości
optycznych i czasu istnienia chmur. Związane jest to ze
zjawiskiem cieplarnianym [9].
Na terenach wysuszonych mgła moŜe stanowić
dodatkowe źródło wody wykorzystywanej w gospodarstwach
domowych i rolnictwie [10]. Mgła wskutek mokrej depozycji
efektywnie oczyszcza atmosferę z zanieczyszczeń,
przenosząc je na powierzchnię ziemi, aczkolwiek
zanieczyszczenia te negatywnie wpływają na rośliny,
niszcząc je przez skaŜenie gleby lub bezpośredni kontakt [11,
12].
Niszczone są przede wszystkim lasy przez tzw. mgłę
kwaśną. Bardzo waŜnym zjawiskiem ze względu na skutki
występowania jest smog (typu londyńskiego), który
obserwowany jest w wielkich miastach oraz na obszarach
silnie uprzemysłowionych. Jest to intensywna, gęsta mgła
zmieszana z dymem, spalinami samochodowymi, popiołem,
sadzą itp. Smog zawiera zawieszone w powietrzu cząstki
stałe (pyłowe) oraz szkodliwe związki chemiczne, np. tlenki
azotu oraz tlenki siarki. MoŜe być przyczyną wielu chorób,
takich jak choroby układu oddechowego i układu krąŜenia.
Organizmom utrudnia oddychanie, a ziemi wydalanie ciepła
(ocieplenie klimatu).
Techniki pobierania próbek mgły
Analityczne badania próbek mgły prowadzono juŜ
w latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia. Do pobierania
próbek osadów atmosferycznych wykorzystywano proste
urządzenia wykonane z tworzyw sztucznych lub ze stali.
Były to siatki i ekrany wyłapujące krople mgły, które
następnie grawitacyjnie spływały do butelek.
Urządzenia do pobierania próbek mgły moŜna podzielić
ze względu na sposób wychwytywania kropel wody [7]:
• próbniki pasywne - przepływ kropel odbywa się
w sposób swobodny pod wpływem siły grawitacji,
• próbniki dynamiczne (aktywne) - próbki są pobierane
w sposób wymuszony za pomocą pomp, wentylatorów
i innych urządzeń elektrycznych,
• automatyczne systemy pobierania próbek - łączone,
zautomatyzowane układy pobierania kropel wody
wyposaŜone w detektor mgły.
83
Spotykane poziomy stęŜeń wybranych zanieczyszczeń
w próbkach mgły
W literaturze dość łatwo moŜna znaleźć prace
poświęcone zagadnieniom chemizmu próbek mgły. Badania
takie prowadzono w ośrodkach naukowych w takich krajach,
jak: Włochy, Niemcy, Czechy, Szwajcaria, Japonia, Chiny,
Indie, USA, Kanada, Wenezuela, Chile oraz Namibia
(Afryka). W tabeli 2 przedstawiono dane literaturowe
dotyczące mgły.
Część eksperymentalna
Pobieranie i przygotowanie do analizy róŜnych form
osadów i opadów atmosferycznych
Pobieranie i przygotowanie próbek jest bardzo waŜnym
elementem kaŜdej metodyki analitycznej. NaleŜy zapewnić
reprezentatywność próbek i niezmienność ich składu.
Zebrane próbki powinny odzwierciedlać warunki panujące
w miejscu ich pobierania. Pobieranie i przygotowywanie
próbek jest bardzo czasochłonne i na tym etapie moŜna
popełnić błędy, które są trudne do oszacowania i mają
znaczący wpływ na końcowy wynik analizy.
Do pobierania próbek na szczycie górskim (Szrenica,
Karkonosze) wykorzystano pasywny kolektor osadu ciekłego
zbudowany z 130 Ŝyłek o długości 16,5 cm, średnicy
0,45 mm i całkowitej powierzchni recepcyjnej 90 cm2.
Próbnik umieszczony został na wysokości 180 cm. W celu
rozgraniczenia osadu ciekłego od opadu atmosferycznego
zastosowano zadaszenie i wąską rynienkę zbierającą
ściekający opad. Woda mgielna została przelana z próbnika
do pojemników wykonanych z polipropylenu lub polietylenu
o pojemności 120 cm3. Na terenie Borucina, pow. kartuski,
do pobierania próbek zastosowano aktywny kolektor mgły
NES 210.
Przed kaŜdym procesem pobierania próbek próbniki
mgły, sadzi i szronu dokładnie oczyszczano, przemywano
wodą dejonizowaną i wycierano do sucha.
Przygotowanie próbek do analizy
W próbce zachodzą reakcje i procesy, które wpływają na
zmianę jej składu. NaleŜą do nich reakcje chemiczne,
biochemiczne, fotochemiczne oraz procesy fizyczne, takie
jak: adsorpcja, odparowanie i odgazowanie składników. Ze
względu na te zjawiska wykonanie oznaczeń powinno
nastąpić albo zaraz, albo w krótkim czasie po pobraniu
próbki, a jeśli to nie jest moŜliwe, naleŜy podjąć działania
prowadzące do zachowania stabilności składu próbki
zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym [12].
W celu uniknięcia zmian w składzie próbek natychmiast
po zebraniu transportowano je do laboratorium
i przechowywano w niskiej temperaturze ok. 4°C. Próbek nie
konserwowano chemicznie.
84 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Tabela 2. Przegląd danych literaturowych dotyczących wyników badań próbek mgły
Miejsce pobierania próbek
Okres pobierania
próbek
Charakterystyka
terenu
Oznaczane parametry
Zakres stęŜeń
pH
H+
Na+
K+
2,96
1100 µeq/dm3
65
12
1610
NH +4
Ca2+
Mg2+
Cl–
USA
1981-1983
Teren miejski, wybrzeŜe
NO
−
3
111
42
178
brak danych
SO 24−
Fe
Mn
Pb
Cu
Ni
V
Cl–
1989-1990
Teren miejski
Niemcy
1989-1990
Góry ( 2150 i 1747 m n.p.m.)
Tereny górzyste
pH-metr
AAS
brak danych
AAS
IC
[13]
brak danych
NO 3−
352
K+
Ca2+
Mg2+
161,1
12778
222
99,8
brak danych
6,3
2,61 mg/dm3
0,64
6,19
0,87
2,43
pH-metr
0,47÷4,20 mg/dm3
0,25÷1,31
0,48÷7,70
<0,01÷2,84
brak danych
0,12÷0,38
1,89÷15,9
0,46
5,58
NO 3−
1,77÷9,84
5,22
2−
4
pH
Ca2+
K+
Na+
Mg2+
NH +4
F–
Cl–
Literatura
926
brak danych
NH +4
Wenezuela
Technika
oznaczania
2210
1440 µg/dm3
37
1180
34
10
6
344,1 µeq/dm3
66,6
SO 24−
Indie
Wartość średnia
SO
HCOO–
CH3COO–
Ca2+
K+
Mg2+
1,49÷9,95
4,65
<0,5
<0,5
15÷708 µeq/dm3
2÷87
2÷81
<0,5
0,54
brak danych
NH +4
32÷2078
Cl–
8÷236
[7]
AAS
kolorymetria
[14]
IC
[15]
AAS
metoda z błękitem
indofenolowym
IC
85
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
NO
−
3
2−
4
–
Japonia
1997-2001
wybrzeŜe
0,5÷134
3,26÷5,38
15÷487 µS/cm
0,02÷1,704 µeq/cm3
0,23 µeq/cm3
NO 3−
0,018÷1,459
0,301
0,054÷1,199
0,313
0,021÷2,196
0,007÷1,294
0,247
0,264
0,001÷0,09
0,005÷0,515
0,009÷0,974
0,013÷0,59
0,052÷1,048
0,015
0,072
0,121
0,171
0,283
SO
Na
NH +4
K+
Mg2+
Ca2+
H+
nssSO 24−
pH
+
Korea Południowa
2001-2002
2002-2003
Lasy, tereny wiejskie, ląd
Tereny górzyste, wybrzeŜe
5,71÷7,92
elektroda fluorkowa
brak danych
6,78
H
0,01÷2,0 µeq/dm
0,39 µeq/dm3
Cl–
<59,4
<59,3
22,7
27,2
SO 24−
Chiny
26÷1580
SO
F
pH
przewodność
Cl–
2−
4
+
Góry, teren miejski,
20÷1226
3
NO 3−
6,7÷68,7
30,7
HCO 3−
22,3÷173
85,2
Na+
K+
Ca2+
Mg2+
NH +4
objętość próbki
pH
przewodność
Cl–
11,9÷57,4
8,2÷69,8
9,4÷107
7,5÷97,6
<74,2
16,8
29,7
66,4
54,8
52,7
26÷296 cm3
3,6÷6,8
1,8÷530 µS/cm
0,3÷1017 µeq/dm3
236 cm3
4,7
55,1 µS/cm
82,9 µeq/dm3
NO 3−
2,4÷2729
128
7,2÷1838
204
0,1÷249
0,3÷898
0,6÷2078
21,4
77,7
212
0,1÷91,6
0,1÷240
0,4÷1138
9,7÷1820
11,7
26,3
72
199
2−
4
+
SO
H
Na+
NH +4
K+
Mg2+
Ca2+
Nss - SO 24−
brak danych
[11]
pH-metr
IC
[10]
AAS
spektrofotometria
waŜenie
brak danych
IC
[16]
brak danych
86 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Tabela 3. Charakterystyka miejsc pobierania próbek mgły, sadzi i szronu
Lokalizacja
rozmieszczonych na terenie całej Polski. W tabeli 3
przedstawiono charakterystykę miejsc pobierania próbek
mgły.
Źródła
zanieczyszczeń
Charakterystyka
Borucino
Stacja Meteorologiczna
Uniwersytetu Gdańskiego
1) niewielka emisja
połoŜona w centralnej części
zanieczyszczeń
Pojezierza Kaszubskiego nad
z palenisk
Jeziorem Górnym Raduńskim,
gospodarstw
na terenie Kaszubskiego Parku
domowych w okresie
Krajobrazowego [38]; połoŜona
zimowym
45 km NS od Trójmiasta; liczba
ludności: 270
Szrenica
Terenowa Stacja
Meteorologiczna Uniwersytetu
Wrocławskiego na Szrenicy
1) pod wpływem
wiatru docierają
(Zachodnie Karkonosze), na
terenie Karkonoskiego Parku
zanieczyszczenia
Narodowego [43]; szer.
z regionów
uprzemysłowionych
geograficzna: 50°48' N; dł.
geograficzna: 15°31' E; wys. nad
poziomem morza: 1364 m [5]
Charakterystyka miejsc zbierania próbek
Właściwości
topograficzne
oraz
warunki
meteorologiczne znacząco wpływają na skład mokrej
depozycji na danym terenie. Próbki mgły, sadzi i szronu
zostały pobrane w dziewięciu punktach pomiarowych
Aparatura pomiarowa
W tabeli 4 przedstawiono aparaturę, jaką wykorzystano
podczas prowadzonych badań próbek mgły.
Granice wykrywalności i oznaczalności
wykorzystanych metodyk analitycznych
Granicę wykrywalności (LOD) definiuje się jako
najmniejsze stęŜenie analitu, które moŜe być wykryte za
pomocą danej metody analitycznej ze statystycznie istotną
pewnością. Granica oznaczalności (LOQ) jest to najmniejsza
ilość (stęŜenie) substancji, jaka moŜe być oznaczona daną
metodyką
analityczną
z
załoŜoną
dokładnością
(niepewnością) i precyzją [17].
W
tabeli
5
przedstawiono
wartości
granic
wykrywalności i oznaczalności oraz zakresy pomiarowe dla
anionów i kationów oznaczonych techniką chromatografii
jonowej.
Tabela 4. Aparatura stosowana do przeprowadzenia analiz próbek mgły
Oznaczenie
końcowe
Pomiar pH
Pomiar
przewodności
Oznaczenie
formaldehydu
Wymagana ilość
próbki [cm3]
10
10
3
Metoda
Metoda
elektrochemiczna
Metoda
elektrochemiczna
Metoda
spektrofotometryczna
Metoda
spektrofotometryczna
Oznaczenie fenoli
10
Oznaczenie
nadtlenku wodoru
10
Metoda
spektrofotometryczna
Oznaczenie
anionów
i kationów
2
Chromatografia jonowa
(IC)
Oznaczenie
zawartości TC,
TIC, TOC
2,5
Metoda kulometryczna
Oznaczanie metali
10
ICP/MS
Aparatura pomiarowa i jej charakterystyka
Mikrokomputerowy pH-metr/tlenomierz CX-315 firmy ELMETRON:
elektroda typu ESAgP-301W (ogniwo pomiarowe złoŜone z półogniwa
szklanego i nasyconego półogniwa chlorosrebrnego); urządzenie moŜe
pracować równieŜ jako czujnik temperatury; urządzenie przenośne zasilane
bateryjnie.
Konduktometr OK.-102/1 firmy RADELIKS: zasada pomiaru polega na
określeniu oporności roztworu za pomocą mostka Wheatsone’a.
Spektrofotometr - Spectroquant VEGA 400 firmy MERCK; kuweta
10 mm.
Spektrofotometr - Spectroquant VEGA 400 firmy MERCK; kuweta
10 mm.
Spektrofotometr SQ 118 firmy MERCK; przyrząd przystosowany do testów
analitycznych Spectroquant, których parametry są zaprogramowane w stałej
pamięci fotometru.
Chromatograf typu DIONEX 500 firmy DIONEX (USA):
- Detektor konduktometryczny
- Kolumna: IonPac® AS9 2x250 mm (aniony); IonPac® CS14 2x250 mm
(kationy)
- Eluent: 9,0 mM Na2CO3 (aniony);
mieszanina 4,0 mM kwasu metanosulfonowego z 5,45 mM kwasem
pirofosforowym (kationy)
- Supresor: Autosupresor ASRSIITM (aniony); Autosupresor DX 500
CSRS-ULTRA (kationy)
- NatęŜenie przepływu 0,25 cm3/min
- Objętość nastrzyku 0,0075 cm3
- Czas analizy 16÷19 min
Moduł do oznaczania węgla całkowitego CM 5300 Furnace Aparatus
Version 1.0 z kulometrem CM 5014 CO2 firmy UIC INC.
COULOMETRICS:
Moduł do oznaczania węgla nieorganicznego CM 5130 Acidification
Module firmy UIC INC. COULOMETRICS
Oznaczenie metali zostało wykonane w Centralnym Laboratorium
Chemicznym Państwowego Instytutu Geologicznego w Warszawie.
87
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Tabela 5. Granice wykrywalności i oznaczalności oraz zakresy pomiarowe anionów i kationów oznaczonych z wykorzystaniem techniki IC
Analit
Fluorki
Chlorki
Azotyny
Azotany
Fosforany
Siarczany
Zakres pomiarowy [mg/dm3]
0,5÷1,5
0,033÷0,1
20÷90
0,03÷0,1
0,5÷2
0,16÷0,5
10÷40
0,04÷0,1
1÷2
0,12÷0,2
25÷125
0,046÷0,1
LOD [mg/dm3]
LOQ [mg/dm3]
0,011
0,033
0,009
0,03
0,055
0,16
0,014
0,04
0,041
0,12
0,016
0,049
0,01÷50
0,01
0,03
Amon
Magnez
Wapń
Sód
Potas
Parametry wykorzystywane
chemizmu próbek mgły
na
etapie
badań
W celu dokładnego poznania chemizmu próbek mgły
wyznaczono następujące parametry:
• PDI - procentową róŜnicę bilansu jonowego
PDI = (Caniony – Ckationy)/( Caniony + Ckationy) x 100
Dopuszczalna wartość: PDI ≤ 20%.
Caniony, Ckationy - stęŜenie anionów i kationów
[meq/dm3]
• TIC - całkowitą zawartość jonów nieorganicznych
TIC = ∑ Caniony + ∑ Ckationy
•
nssSO 24− - stęŜenie siarczanów niepochodzących
z wody morskiej
nssSO 24− = SO 24 − – ( SO 24 − / Na+)woda morska, SO 24 − /
Na+ = 0,12
• nssCa2+ - stęŜenie wapnia niepochodzącego z wody
morskiej
nssCa2+ = Ca2+ – (Ca2+ / Na+)woda morska , Ca2+ / Na+ =
= 0,044
• AP - potencjał kwasowości
AP = [ nssSO 24− ] + [ NO 3− ]
• NP - potencjał neutralizacji (zobojętnienie)
NP = [ NH +4 ] + [nssCa2+]
• pAi - hipotetyczne pH wody opadu atmosferycznego
pAi = –log ([ nssSO 24− ] + [ NO 3− ])
• lossMg2+ - stęŜenie ubytku magnezu
lossMg2+ = (Mg2+ / Na+)woda morska x Na+ – Mg2+,
Mg2+/Na+ = 0,23
Parametry meteorologiczne
Do interpretacji chemizmu osadów atmosferycznych
niezbędna jest znajomość parametrów meteorologicznych.
PoniŜej
przedstawiono
charakterystykę
parametrów
meteorologicznych
wykorzystanych
do
interpretacji
wyników badań próbek mgły.
Charakter cyrkulacji atmosferycznej
•
•
•
A - antycyklonalna: AA (antycyklonalna centralna); AP
(antycyklonalna przejściowa - ustępujący wyŜ)
C - cyklonalna: CP (cyklonalna przejściowa - ustępujący
niŜ); CC (cyklonalna centralna)
T (AT) - przejściowa: PA (przejściowa antycyklonalna wkraczający wyŜ); PP (przejściowa pośrednia pomiędzy
antycyklonalną
i
cyklonalną),
PC
(przejściowa cyklonalna - wkraczający niŜ)
Kierunek cyrkulacji atmosferycznej
Jest to kierunek cyrkulacji w miejscu na stanowisku
pomiarowym (wypadkowa na dystansie ok. 100÷200 km po
dowietrznej) wyznaczany na podstawie kierunku izobar
z mapy dolnej; [rumby 0-32]. PrzewaŜający dla całej doby
kierunek napływu powietrza dla swobodnej atmosfery
wyznaczany jest na podstawie map synoptycznych dolnych
(dla poziomu morza). Poszczególne symbole odnoszą się do
międzynarodowych oznaczeń kierunków wiatru. W tabeli 6
zestawiono skróty i pełne nazwy kierunków cyrkulacji.
Tabela 6. Kierunki cyrkulacji atmosferycznej
Wyjaśnienie
Północny
Północno-północno-wschodni
Północno-wschodni
Wschodnio-północno-wschodni
Wschodni
Wschodnio-południowo-wschodni
Południowo-wschodni
Południowo-południowo-wschodni
Skrót
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
NW
NNW
Wyjaśnienie
Południowy
Południowo-południowo-zachodni
Południowo-zachodni
Zachodnio-południowo-zachodni
Zachodni
Zachodnio-północno-zachodni
Północno-zachodni
Północno-północno-zachodni
Kierunek
Skrót
N
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
88 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Rodzaje mas powietrza
Masa powietrza jest to duŜa porcja powietrza
o rozmiarach poziomych setek i tysięcy km, jej cechy
termiczno-wilgotnościowe na tym samym poziomie są
zbliŜone wskutek długiego kontaktu z jednolitym podłoŜem.
Sąsiednie masy rozdzielone są frontami atmosferycznymi.
Istnieją cztery typy mas powietrza: A - arktyczna, PMM polarno-morska
świeŜa,
PMS
polarno-morska
przetransformowana (stara), PK - polarno-kontynentalna.
Gradient ciśnienia
Poziomy
gradient
ciśnienia
atmosferycznego
wyznaczony dla stacji pomiarowych. Wartość gradientu jest
wprost proporcjonalna do siły wiatru; wartość gradientu
oznacza liczbę hPa przypadającą na jeden stopień długości
geograficznej (111 km).
Wyniki i ich omówienie
Program badawczy obejmował przeprowadzenie badań
analitycznych 88 próbek mgły pochodzących z róŜnych
obszarów geograficznych Polski (Szrenica, Borucino).
W tabeli 7 przedstawiono uzyskane wyniki oznaczeń
poziomów zawartości poszczególnych analitów w zebranych
próbkach mgły (wartość minimalna, maksymalna oraz
wartość średnia). W tabeli podano takŜe ilość próbek (N),
charakterystykę miejsca, częstość występowania danego
składnika w próbce (f (w procentach)) oraz stosunki stęŜeń
wybranych parametrów (w róŜnych kombinacjach) dla
wszystkich typów próbek.
Tabela 7. Podsumowanie wyników badań zebranych próbek mgły
Parametr
1
Przewodność
[mS/cm]
pH
Na+
[meq/dm3]
NH +4
[meq/dm3]
K+
[meq/dm3]
Ca2+
[meq/dm3]
Mg2+
[meq/dm3]
Cl–
[meq/dm3]
NO 3−
[meq/dm3]
SO 24−
[meq/dm3]
Σ kationów
Σ anionów
Miejsce
2
N
max
średnia
min
max
mean
min
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
f [%]
max
średnia
min
max
średnia
min
Szrenica (miesięczna)
3
12
165
56,2
0,026
5,25
4,30
3,90
0,30
0,092
0,021
100
0,26
0,15
0,092
100
0,077
0,044
0,011
100
0,076
0,030
0,0055
100
0,087
0,010
0,0008
100
0,24
0,096
0,036
100
0,16
0,10
0,035
100
0,19
0,13
0,073
100
0,59
0,39
0,24
0,53
0,34
0,17
Mgła
Szrenica
4
55
656
80,0
15,4
7,35
4,78
3,53
0,63
0,10
0,016
100
0,76
0,22
0,058
100
0,15
0,045
0,0072
100
2,73
0,14
0,015
92,7
0,50
0,049
0,0008
69,1
0,93
0,10
0,010
4,50
0,24
0,024
100
0,63
0,20
0,057
100
4,51
0,57
0,15
5,65
0,57
0,14
Borucino
5
21
12,0
1,12
0,074
100
1,41
0,50
0,13
100
4,56
0,35
0,021
100
6,27
0,90
0,053
100
2,87
0,36
0,013
85,7
5,07
0,86
0,10
100
15,8
1,68
0,058
95,2
6,29
0,82
0,16
100
26,3
3,17
0,42
27,2
3,35
0,37
89
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
1
TIC
PDI
[%]
pAi
AP
NP
nss SO 24 −
nss Ca2+
loss Mg2+
SO 24− + NO 3−
NH +4 + H+
Cl– / Na+
SO 24− / Na+
K+ / Na+
Ca2+ / Na+
Mg2+ / Na+
2
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
max
średnia
min
NajwyŜsze wartości parametru TIC stwierdzono
w próbkach mgły zebranych w Borucinie (4,53 meq/dm3), na
obszarze nizinnym. NajniŜsze wartości parametru
stwierdzono w próbkach zebranych na szczycie góry
(1330 m n.p.m - Szrenica); 1,05 meq/dm3). W próbkach
mgły zebranych w punkcie pomiarowym na Szrenicy
wartości pH zmieniały się w szerokim zakresie od 3,53 do
7,35. Obecność takich jonów, jak SO 24− , NO 3− , NH +4 i H+
odzwierciedla przewaŜający wpływ źródeł antropogennych
na chemizm mgły. Średnie sumaryczne stęŜenie
wymienionych jonów jest wyŜsze w próbkach wody
mgielnej zebranych na Szrenicy (64%) przy zmienności
w zakresie od 19 do 90%. W próbkach zebranych
w Borucinie wskaźnik ten osiągał średnio 46%. Pomiędzy
opisywanymi stanowiskami pomiarowymi istnieją dość
istotne róŜnice w odniesieniu do składu zebranych tam
próbek wody mgielnej. W składzie chemicznym próbek mgły
zebranych w Borucinie przewaŜają azotany i siarczany,
3
1,12
0,73
0,41
15,9
7,18
0,99
3,97
3,66
3,50
0,31
0,22
0,11
0,27
0,17
0,12
0,18
0,12
0,071
0,062
0,026
0,0034
0,026
0,013
0,0027
0,33
0,24
0,11
0,35
0,21
0,097
2,75
1,19
0,52
3,52
1,88
0,43
1,09
0,61
0,085
1,22
0,43
0,11
0,28
0,068
0,012
4
10,1
1,14
0,29
27,7
6,22
0,43
4,10
3,51
2,32
4,83
0,42
0,080
3,21
0,34
0,07
0,60
0,19
0,051
2,70
0,13
0,014
0,035
0,0094
0,00017
4,90
0,44
0,11
0,78
0,26
0,070
4,03
1,09
0,22
12,1
2,95
0,33
4,33
0,67
0,076
6,23
1,34
0,18
1,83
0,35
0,020
5
53,5
6,52
0,78
10,1
5,57
0,65
3,81
3,00
1,68
20,7
2,29
0,15
6,48
1,35
0,19
4,85
0,69
0,15
5,74
0,85
0,043
0,24
0,098
0,0038
22,1
2,42
0,17
1,41
0,50
0,13
2,13
1,28
0,42
4,04
1,59
0,25
1,60
0,43
0,083
3,51
1,24
0,21
0,93
0,38
0,061
natomiast
w
próbkach
zebranych
na
Szrenicy
charakterystyczna jest równowaga
między jonem
azotanowym i amonowym. Chlorki, sód i magnez wykazują
silną korelację między sobą, poniewaŜ mają to samo
pochodzenie, aerozol morski. W próbkach mgły zebranych
na Szrenicy średni równowaŜnikowy stosunek stęŜeń Cl–/Na+
wynosi 1,09, w Borucinie 1,24. Obecność jonów Cl–
przyczynia się do zakwaszenia wody mgielnej, równieŜ
wtedy, gdy ich stęŜenie jest mniejsze od stęŜenia SO 24−
i NO 3− . Wyjątek stanowią próbki mgły pobrane na Szrenicy,
gdzie stęŜenie jonów SO 24− było nieznacznie niŜsze
w porównaniu z jonami Cl–. Jednocześnie znaczny udział
jonów: Ca2+, Mg2+, Na+, K+ i SO 24− wskazuje na duŜą rolę
mechanizmów orograficznych w pionowym transporcie
zanieczyszczeń. W tabeli 8 przedstawiono wnioski dotyczące
udziału (w %) poszczególnych jonów w ogólnej ilości jonów
90 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Tabela 8. Wnioski dotyczące udziału (w %) poszczególnych jonów w ogólnej ilości jonów obecnych w próbkach mgły zebranych na terenach
o róŜnym charakterze
Oznaczane jony
Jony azotanowe(V)
Wnioski
Udział jonów NO 3− jest większy w próbkach zebranych na terenie nizinnym (25,0%) w porównaniu z terenem górskim (19,9%).
Jony azotanowe(III) NiezaleŜnie od rodzaju opadu/osadu i miejsca ich pobierania zawartość procentowa jonów NO −2 w tych próbkach jest poniŜej 1%.
Jony siarczanowe
Jony chlorkowe
Jony fluorkowe
Jony fosforanowe
Jony sodu
Jony amonowe
Jony potasu
Jony wapnia
Jony magnezu
Udział jonów SO 24− jest większy w próbkach zebranych na terenie górskim (16,5%) w porównaniu z próbkami pobranymi na terenie
nizinnym (12,2%).
Zawartość procentowa jonów Cl– jest większa w próbkach zebranych na terenie nizinnym (12,8%) w porównaniu z próbkami
zebranymi na terenie górskim (8,61%).
Udział jonów F– jest większy w próbkach zebranych na terenie górskim (2,16%) w porównaniu z próbkami zebranymi na terenie
nizinnym (0,22%).
Zawartość procentowa jonów PO 34− jest większa w próbkach zebranych na szczycie górskim (6,58%) w porównaniu z próbkami
pobranymi na terenie nizinnym (1,81%).
Udział jonów Na+ jest większy w próbkach zebranych na terenie nizinnym (16,6%) w porównaniu z próbkami zebranymi na szczycie
górskim (8,67%).
Zawartość procentowa jonów NH +4 jest większa w próbkach zebranych na górskim szczycie (18,0%) w porównaniu z próbkami
zebranymi na terenie nizinnym (7,44%).
Większy udział jonów K+ stwierdzono w próbkach zebranych na trenie nizinnym (5,20%) w porównaniu z próbkami zebranymi na
terenie górskim (3,78%).
Udział jonów Ca2+ jest większy w próbkach zebranych na terenie nizinnym (13,3%) w porównaniu z próbkami zebranymi na terenie
górskim (11,6%).
Udział jonów Mg2+ jest większy w próbkach zebranych na terenie nizinnym (5,27%) w porównaniu z próbkami zebranymi na terenie
górskim (4,07%).
obecnych w próbkach mgły zebranych na terenach o róŜnym
charakterze.
Udział procentowy w ogólnej ilości jonów NO 3− jest
większy w próbkach mgły w porównaniu z próbkami sadzi
(12.2%) pobranymi na tym samym terenie (Szrenica).
Wynika to ze sposobu tworzenia się mgły (moŜe powstawać
o kaŜdej porze dnia i nocy). Gdy mgła tworzy się w ciągu
dnia, zawiera więcej jonów NO 3− , gdyŜ nasilenie
komunikacji (transportu) jest duŜo większe niŜ w nocy.
Udział (w %) jonów Na+ i Cl– w ogólnej ilości jonów jest
mniejszy w próbkach mgły w porównaniu z próbkami sadzi
zebranych na tym samym terenie (Szrenica). DuŜy udział
jonów Na+ i Cl– (16,6 i 12,8%) w próbkach mgły zebranych
na trenie Borucina (w porównaniu z próbkami pobranymi na
terenie górskim) wynika z faktu, iŜ obszar ten połoŜony jest
niedaleko wybrzeŜa Morza Bałtyckiego, a, jak wiadomo,
jony te są głównymi składnikami soli morskiej. Zawartość
procentowa jonów SO 24− jest niŜsza w próbkach mgły
w porównaniu z próbkami sadzi (21%) pobranymi z tego
samego miejsca (góry). Zawartość jonów NH +4 jest mniejsza
w próbkach mgły w porównaniu z próbkami sadzi (21,4%)
pobranymi na tym terenie (góry). Udział jonów Ca2+ jest
większy w próbkach mgły w porównaniu z próbkami sadzi
(6,61%) pobranymi na tym samym terenie (Szrenica).
Interesujący jest duŜo wyŜszy udział jonów PO 34−
w próbkach mgły zebranych na terenie górskim (6,58%)
w porównaniu z próbkami sadzi pobranymi na tym samym
terenie.
dziennej) we wszystkich próbkach zebranych na Szrenicy.
W próbkach zebranych na terenie Borucina nie zmierzono
wartości pH, poniewaŜ ich objętość była niewystarczająca do
przeprowadzenia pomiaru. Kwaśny charakter mgły
(pH < 5,0) stwierdzono w 11 na 12 przypadkach próbek
mgły miesięcznej oraz w 39 na 55 przypadkach mgły
dziennej. Silny charakter kwasowy (pH < 4) zaobserwowano
dla 2 próbek mgły miesięcznej oraz 5 mgły dziennej.
W próbkach mgły miesięcznej nie stwierdzono wartości pH
powyŜej 6, natomiast w próbkach mgły dziennej 11% próbek
ma wartości pH powyŜej 6,0 i 1,8% próbek ma wartości pH
powyŜej 7,0.
Rys. 1. ZaleŜność pomiędzy AP i NP dla próbek mgły zebranych na
Kwasowość próbek mgły
Wartość pH, która jest miarą kwaśnej depozycji wody
mgielnej, sięgała od 3,90 do 5,25 (w próbkach mgły
miesięcznej) oraz od 3,53 do 7,35 (w próbkach mgły
terenach o róŜnym charakterze:
- teren nizinny;
- teren górski
Wskaźnik pAi jest hipotetycznym pH wody
atmosferycznej, jeśli nie zachodził proces neutralizacji
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
(zobojętniania) kwasu siarkowego i azotowego. Indeks ten
skupia się tylko na kwaśnym składniku, natomiast pH jest
określone bilansem (równowagą) pomiędzy składnikiem
kwaśnym i obojętnym. Wartości pAi mieściły się w zakresie
od 3,50 do 3,97 (w próbkach mgły miesięcznej zebranych na
Szrenicy), od 2,32 do 4,10 (w próbkach mgły dziennej
zebranych na Szrenicy) oraz od 1,68 do 3,81 (w próbkach
mgły zebranych na trenie Borucina). Proces zakwaszania
wody mgielnej moŜe równieŜ zostać wyjaśniony za pomocą
relacji pomiędzy AP (potencjał kwasowości) i NP (potencjał
neutralizacji). Na rysunku 1 przedstawiono relację pomiędzy
AP i NP dla róŜnych miejsc pobierania próbek mgły. Krzywa
teoretyczna łącząca punkty danych doświadczalnych moŜe
zostać zdefiniowana jako równanie liniowe y = x (AP = NP).
Dla zebranych próbek mgły równanie ma postać:
y = 0,66x + 0,061, R = 0,972 (teren górski - Szrenica) oraz
y = 0,34x + 0,57, R = 0,899 (teren nizinny - Borucino).
NajbliŜszą teoretycznej postaci tej prostej otrzymano dla
próbek mgły zebranych na Szrenicy, gdzie prosta ma postać
y = 0,66x + 0,061 przy R = 0,972. Dla próbek zebranych na
terenie górskim NP > AP dla 11% próbek, natomiast dla
próbek zebranych na terenie nizinnym NP > AP dla 29%
próbek.
Wpływ warunków meteorologicznych
chemiczny próbek mgły
na
91
z wiekiem tych mas. Na rysunku 4 przedstawiono zaleŜność
TIC oraz całkowitą zawartość zanieczyszczeń (D) depozycji
mgielnej (Szrenica) w zaleŜności od typu masy powietrza.
Mgła
powstająca
podczas
wszystkich
typów
przekształconych, starych mas powietrza (A_T, PK_T,
PM_T) charakteryzuje się duŜymi wartościami TIC
(odpowiednio: 1,4; 1,4; 1,1 meq/dm3). Próbki mgły powstałej
zarówno w świeŜej arktycznej, jak i w świeŜej polarno-morskiej masie powietrza charakteryzują się mniejszymi
wartościami TIC (odpowiednio: 0,94 oraz 0,73 meq/dm3).
W próbkach mgły powstałej podczas świeŜej arktycznej oraz
w starej arktycznej masie powietrza oznaczono najwyŜsze
stęŜenia jonów SO 24− . Charakterystyczną cechą świeŜej
morskiej masy powietrza jest względnie (stosunkowo) duŜa
zawartość jonów sodu i chloru.
skład
Ilość i skład zanieczyszczeń zawartych w próbkach
róŜnych form mokrej depozycji zaleŜy od warunków
meteorologicznych, tj. wysokości i intensywności opadu,
typu i kierunku cyrkulacji powietrza atmosferycznego, typu
masy powietrza.
Chemizm mgły orograficznej (występującej na
Szrenicy) nie zaleŜy tylko od stęŜenia składników obecnych
w powietrzu przed powstaniem mgły po nawietrznej stronie
(pod wiatr), ale równieŜ od innych czynników, takich jak:
szybkość przemiany (konwersji) składników, zawartości
wody w chmurze oraz róŜnych procesów usuwania
zachodzących w trakcie tworzenia się mgły. PowyŜsze
stwierdzenie jest prawdziwe dla mgły powstającej na
Szrenicy. Na rysunku 2 przedstawiono zaleŜność między TIC
[meq/dm3] w próbkach mgły zebranych na Szrenicy oraz
kierunkami
cyrkulacji
powietrza
atmosferycznego.
Indywidualne składniki obecne w próbkach wody mgielnej
mogą wykazywać większe róŜnice stęŜeń związane
z kierunkiem cyrkulacji. Przykładem jest malejące stęŜenie
jonów NH4+ podczas cyrkulacji atmosferycznej NNW
(0,12 meq/dm3) w porównaniu z kierunkiem SW
(0,30 meq/dm3), co moŜna wyjaśnić duŜym obszarem leśnym
w sektorze NNW, gdzie działalność rolnicza jest mniejsza,
oraz intensywnym rolnictwem w dorzeczu Kotliny Czeskiej,
połoŜonej od południowego zachodu (SW). Szybkość
depozycji mgielnej jest związana ze stęŜeniem
zanieczyszczeń oraz ze zmieniającą się objętością wody. Na
rysunku 3 przedstawiono względny udział cyrkulacji
atmosferycznej w depozycji TIC.
Pochodzenie mas powietrza wydaje się być czynnikiem
mniej wpływającym na chemizm mgły w porównaniu
Rys. 2. ZaleŜność między wartością liczbową parametru TIC [meq/dm3] dla
próbek mgły zebranych na Szrenicy oraz kierunkami cyrkulacji
powietrza atmosferycznego
Rys. 3. Względny udział cyrkulacji atmosferycznej w depozycji TIC
92 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Rys. 4. ZaleŜność wartości liczbowej parametru TIC oraz całkowitej zawartości zanieczyszczeń (D) depozycji mgielnej na Szrenicy od typu masy powietrza:
- TIC,
- D; A - arktyczna, A_T - stara arktyczna, PK_T - stara polarno-kontynentalna, PM - polarno-morska, PM_T - stara polarno-morska
Wnioski
Najmniejsze wartości liczbowe parametru TIC, bez
statystycznie istotnych róŜnic pomiędzy mgłą i sadzią,
stwierdzono w próbkach zebranych na szczycie górskim
(1330 m n.p.m.; odpowiednio 1,05 i 1,1 meq/dm3).
Najbardziej kwaśny odczyn pH zmierzono w próbkach sadzi
zebranych na Szrenicy (pH = 4,06), natomiast najwyŜszym
pH charakteryzowały się próbki pobrane w Zakopanem
(5,09). W próbkach zebranych na Szrenicy wartości pH
zmieniały się w szerokim zakresie od 3,53 do 7,35.
RóŜnice między wartościami pH i pAi w próbach
zebranych na Szrenicy były wyraźnie większe dla próbek
mgły (1,04) w porównaniu z próbkami sadzi (0,47). MoŜna
to tłumaczyć znacznie większym udziałem NH4+ i Ca2+
w strukturze jonowej w ciepłej części roku, a przez to
większej ich roli w neutralizacji (zobojętnianiu) wody
mgielnej. Oba jony związane są przede wszystkim z emisją
niską, której rola rośnie właśnie w ciepłej połowie roku
z powodu intensyfikacji rolnictwa (NH4+) oraz robót
budowlanych (Ca2+). Poza tym latem przewaŜa chwiejna
równowaga termiczna, która sprzyja pionowej wymianie
powietrza, przyczynia się do wzrostu miąŜszości warstwy
mieszania i wynoszeniu zanieczyszczeń na wyŜsze
wysokości (w tym na poziom odpowiadający grzbietowym
partiom Karkonoszy). Zimą przewaŜa równowaga stała,
która ogranicza pionowe mieszanie powietrza i miąŜszość
warstwy granicznej jest wyraźnie mniejsza. Dodatkowo
w obszarach górskich (bez względu na porę roku) istnieje
tendencja do wydajniejszego, pionowego wynoszenia
zanieczyszczeń za sprawą kanalizowania się przepływu
powietrza poprzez cyrkulację dolinną. W Borucinie typowa
jest mgła radiacyjna (charakterystyczna dla pogody
kształtowanej przez układy antycyklonalne), która występuje
w czasie pogodnej nocy, przy małej prędkości wiatru,
wynikającej z pionowego osiadania powietrza. Wielokrotnie
większy TIC oraz skład chemiczny wskazują, Ŝe
w przypadku mgły radiacyjnej dominującą rolę odgrywa
emisja ze źródeł antropogennych. Przy duŜym stęŜeniu
amoniaku
(pochodzenia
rolniczego)
dochodzi
do
skutecznego
zneutralizowania
kwaśnego
odczynu
(pochodzącego od kwasu azotowego i siarkowego), przez co
wartości pH dla mgły o genezie radiacyjnej są duŜe. Mgła
o genezie orograficznej jest charakterystyczna dla gór, gdzie
większą rolę w kształtowaniu jej składu chemicznego
odgrywa transport zanieczyszczeń. W wodzie mgielnej na
Szrenicy kumulują się zanieczyszczenia głównie ze źródeł
punktowych usytuowanych nawet setki kilometrów po
stronie dowietrznej (zgodnej z przewaŜającym kierunkiem
cyrkulacji atmosferycznej). RóŜnice w miąŜszości warstwy
granicznej pomiędzy warunkami odpowiadającymi mgle
radiacyjnej i orograficznej przekładają się na róŜny stopień
rozrzedzenia zanieczyszczeń w następstwie mieszania
pionowego.
Liczba próbek mgły zebranych z terenów nizinnych jest
niewystarczająca,
dlatego
w
celu
dostarczenia
reprezentatywnego obrazu składu chemicznego mgły na
terenie całego kraju otrzymane wyniki nie powinny być
brane pod uwagę. Niemniej jednak porównanie wyników
wykazuje, Ŝe mgła radiacyjna (powstająca na terenie
nizinnym) jest bardziej zanieczyszczona w porównaniu
z mgłą adwekcyjną (orograficzną). Wynika to z duŜo
mniejszej zawartości wody oraz większego wpływu
antropogennych źródeł emisji w przypadku mgły radiacyjnej.
Próbki mgły pobrane w punkcie pomiarowym na Szrenicy
zawierają substancje rozpuszczone pochodzące ze źródeł
emisji zlokalizowanych pod wiatr w duŜo większych
odległościach. Na jakość środowiskową lasów górskich
w Sudetach wpływa fakt, Ŝe 95% depozycji mgielnej tego
terenu odpowiada następująca cyrkulacja atmosferyczna:
SW-W-NW-N-NE.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
Juda-Rezler K.: Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na
środowisko. Ofic. Wyd. Polit. Warsz., Warszawa 2000.
Roth G. D.: Pogoda i klimat. Wyd. Świat KsiąŜki, Warszawa 2000.
Błaś M., Sobik M., Quiel F. i Netzel P.: Temporal and spatial
variations of fog in the Western Sudety Mts., Poland. Atmos. Res.,
2002, 64, 19-28.
Migała K., Liebersbach J. i Sobik M.: Rime in the Giant Mts. (The
Sudetes, Poland). Atmos. Environ., 2002, 64, 63-73.
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2008, R. 13, NR 1-2
Bac S. i Rojek M.: Meteorologia i klimatologia w inŜynierii
środowiska. Wyd. Akad. Roln. Wrocł., Wrocław 1999.
[6] Gwoździak J. i Gwoździak A.: Meteorologia w ochronie atmosfery.
Ofic. Wyd. Polit. Wrocł., Wrocław 1998.
[7] Kapoor R.K., Tiwari S., Ali K. i Singh G.: Chemical anaiysis of fog
water at Dehli, North India. Atmos. Environ., 1993, 27A, 2453-2455.
[8] Khemani L.T., Momin G.A., Prakasa Rao P.S., Safari P.D.
i Prakash P.: Influence of alkaline particulates on the chemistry of fog
water at Dehli, North India. Water Air Soil Pollut., 1987, 34, 183-189.
[9] Schemenauer R.S. i Cereceda P.: The quality of fog water collected for
domestic and agricultural use in Chile. J. Appl. Meteorol., 1992, 31,
275-289.
[10] Jie Liu W., Ping Zhang Y., Mei Li H., Rui Meng F., Hong Liu Y.
i Ming Wang Ch.: Fog- and rainwater chemistry in the tropical
seasonal rain forest of Xishuangbanna, Southwest China. Water Air
Soil Pollut., 2005, 167, 295-309.
[11] Aikawa M., Hiraki T., Shoga M. i Tamaki M.: Chemistry of fog water
water collected in the Mt. Rokko Area (Kobe City, Japan) between
April 1997 and March 2001. Water Air Soil Pollut., 2005, 160,
373-393.
[5]
93
[12] Namieśnik J., Jamrógiewicz Z., Pilarczyk M. i Torres L.:
Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy. WNT, Warszawa
2000.
[13] Jacob D.J., Waldman J.M., Munger J.W. i Hoffmann M.R.: Chemical
Composition of fogwater collected along the California Coast.
Environ. Sci. Technol., 1985, 19, 730-736.
[14] Gordon C.A., Herrera R. i Hutchinson T.C.: Studies of Fog events at
two cloud forests near Caracas, Venezuela - II. Chemistry of fog.
Atmos. Environ., 1994, 28, 323-337.
[15] Lange Ch.A., Matschullat J., Zimmermann F., Sterzik G.
i Wienhaus O.: Fog frequency and chemical composition of fog water a relevant contribution to atmospheric deposition in the eastern
Erzgebirge, Germany. Atmos. Environ., 2003, 37, 3731-3739.
[16] Kim M.G., Lee B.K. i Kim H.J.: Cloud/fog water chemistry at a high
elevation site in South Korea. J. Atmos. Chem., 2006, 55, 13-29.
[17] Konieczka P., Namieśnik J., Zygmunt B., Bulska E.,
Świtaj-Zawadka A., Naganowska A., Kremer E. i Rompa M.: Ocena
i kontrola jakości wyników analitycznych. CEEAM, Gdańsk 2004.