Prašni delci – imenovani tudi atmosferski aerosolni delci, trdni prašni delci ali lebdeči delci (SPM) – so mikroskopski delci trdne ali kapljevinske snovi, suspendirani v ozračju. Izraz aerosol se pogosto nanaša na zmes prašnih delcev in zraka in ne samo na prašne delce. Viri delcev so lahko naravni ali antropogeni. Vsebujejo različne kemijske komponente, lahko so različnih oblik in velikosti, ki segajo vse od nekaj nanometrskih do več sto mikrometrskih. Prašni delec ni nujno sestavljen iz enega onesnaževala. Vključuje lahko mešanico (plinastih) onesnaževal, ki so porazdeljena v različne velikosti. Tako je lahko neposredna posledica antropogenega in naravnega vira (primarno onesnaževalo) ali pa nastane v ozračju (sekundarno onesnaževalo) kot posledica fizikalnih procesov in kemičnih reakcij, kot so kondenzacija, izparevanje in koagulacija. Delec se pod vplivom vremenskih razmer (vlaga in drugi dejavniki) v nekaj minutah do več tednih in po prepotovani razdalji od nekaj metrov do nekaj tisoč kilometrov odstrani iz ozračja. Velikost in kemična sestava delcev določata njihove približne optične in absorpcijske lastnosti ter dinamiko gibanja (odlaganja), to pa vpliva na vidljivost in podnebne spremembe ter zmožnosti vstopa v človeška dihala in posledice za zdravje. Na človeško zdravje ne vplivajo samo neposredno, ampak z vplivom na podnebje in padavine tudi posredno. Vrste atmosferskih delcev vključujejo suspendirane prašne delce, torakalne in vdihljive delce; grobe vdihljive delce z oznako PM, ki so grobi delci s premerom 10 mikrometrov (μm) ali manj; fine delce z oznako PM, ki imajo premer 2,5 μm ali manj; ultrafine delce s premerom 100 nm ali manj; in saje.
Mednarodna agencija za raziskave raka (IARC) in Svetovna zdravstvena organizacija (SZO) označujeta prašne delce v zraku kot karcinogene skupine I. Prašni delci so zaradi zmožnosti prodora globoko v pljuča, krvni obtok in možgane (poleg ultrafinih delcev) najbolj škodljiva oblika onesnaževanja zraka in lahko prodrejo globoko v pljuča, krvni obtok in možgane ter povzročijo težave z zdravjem, vključno z miokardnim infarktom, boleznimi dihal in prezgodnjo smrtjo. Leta 2013 opravljena raziskava, v katero je bilo vključenih 312.944 udeležencev iz devetih evropskih držav, je pokazala, da ni varne ravni delcev v zraku in da se je za vsako povečanje delcev PM za 10 μg/m stopnja raka pljuč zvišala za 22 % (95-% IZ [1,03–1,45]). Manjši delci PM, ki lahko prodrejo globlje v pljuča, so bili povezani z 18-odstotnim povečanjem stopnje raka pljuč na 5 μg/m; vendar ta raziskava za to povezavo ni pokazala statistične značilnosti (95-% IZ [0,96–1,46]) Svetovna izpostavljenost PM je leta 2016 prispevala k 4,1 milijona smrti zaradi bolezni srca in kapi, raka pljuč, kroničnih bolezni pljuč in bolezni dihal. Na splošno so prašni delci v ozračju na šestem mestu med vzroki prezgodnje smrti v svetu.
Velikost prašnih delcev thumb|Primerjava velikosti prašnih delcev s človeškim lasom V osnovi se delce deli na fine ter grobe delce, ki imajo lahko drugačen tip vira in so bili izpostavljeni drugačnim atmosferskim pogojem. Delci različnih velikosti :
Nukleacijska oblika: Delci s premerom manjšim od 0,1 µm, ki se formirajo z nukleacijskimi procesi temelječimi se na kondenzaciji visoko nasičene pare. Najmanjša velikost v tej kategoriji sicer ni dovolj dobro definirana, a se približuje 3nm. Aitkenova oblika: Delci s premerom od 0,01 µm do 100 nm. Izvirajo iz parne nukleacije ali rasti prej obstoječih manjših delcev s procesom kondenzacije. Akumulacijska oblika: Delci s premerom od 0,01 µm do 3 µm. Delci so v tej obliki formirani s procesom koagulacije manjših delcev ali pa s kondenzacijo sestavin v stanju pare. Število delcev se v tej obliki ne povečuje z rastjo kondenzacije. Proces mehanizma odstranjevanja teh delcev je počasen zato je tudi prisotno akumuliranje delcev v večje. Ultrafini delci: Delci v Aitkenovi in nukleacijski obliki. Fini delci: Premer manjši od 2 µm. Grobe frakcije: Premer večji od 2 µm.
Pomemben aspekt opisovanja delcev je distribucija velikosti, ki z logaritmično porazdelitvijo prikaže razmerje med velikostjo ter številom, površino, maso in volumnom.
Največje število delcev je v nukleacijski, največja površina v akumulacijski in največji volumen oz masa v akumulacijski ter grobi obliki delcev. Manjša oblika vzorčenja PM2.5 (Particulate Matter) predstavlja trdne delce manjše od 2.5 µm pa vse do 0.1 µm, kar pomeni, da se lahko vzorči tako grobe, akumulacijske kot tudi fine, nukleacijske delce. Večja PM10, ki predstavlja trdne delce manjše od 10 µm pa vse do 1 µm pa pomeni, da se vzorči pretežno grobe in akumulacijske delce, pri velikosti 1-3 µm pa se obliki vzorčenja prekrivata. Izmerjene velikosti in oblike delcev so odvisne od merilne naprave, ki ima lahko več načinov merjenja in možnega porazdeljevanja velikosti delcev skozi posebne kanale, ki se sicer prilagajajo standardom in regulativam.
Poleg fizičnih karakteristik (števila, mase in površine s pripadajočimi velikostmi) so pomembne tudi oblika, higroskopičnost (fenomen pridobivanja in zadrževanja vodnih molekul skozi proces absorpcije in adsorpcije), hlapnost ali volatilnost (kvaliteta materiala delca, ki opisuje kako hitro oz pod kakšnimi pogoji se upari) in električni naboj (opisuje adhezijski potencial delca, ki privlači ali odbija molekule različnih snovi) kateri je pomemben zaradi suspenzije ali resuspenzije, ki je lahko podobna tudi sili gravitacije.
Kemična sestava prašnih delcev, viri onesnaževanja in njihov delež Poleg velikosti je zelo pomembna tudi kemična sestava delcev. Poleg vremenskih spremenljivk sta to dva parametra s katerima se lahko določi približen izvor onesnaževanja in njihov učinek na človeško zdravje. Kemična sestava je lahko homogena kjer je prevladujoča sestava delca iz enega kemičnega elementa (molekul, atomov) in posledično tudi enega vira. Ponavadi pa je sestava heterogena. Ta je sestavljena iz več kemičnih elementov, ki so bili povezani skupaj s kemičnimi reakcijami na samem mestu izvora (primarni delci) ali pa kasneje v atmosferi skupaj z drugimi delci, različnih agregatnih stanj, izvora, velikosti in kemičnih sestav ter s tem lastnostmi (sekundarni delci).
Po priporočilih Svetovne zdravstvene organizacije so najbolj pomembne kemične lastnosti delcev:
Elementarna sestava Sekundarni anorganski ioni Ogljikove spojine Organska sestava
Agencija Republike Slovenije za okolje (ARSO) prav tako izvaja kemične analize prašnih delcev (PM2.5 in PM10):
Ioni (Klorid, nitrat, sulfat, natrij, amonij, kalij, magnezij, kalcij) Ogljikove spojine (Organski ogljik, elementarni ogljik) Težke kovine (Arzen, kadmij, nikelj, svinec) Policiklični ogljikovodiki (Benzo(a)antracen, benzofluoranten, benzo(a)pirene, inedeno(123-cd)piren, dibenz(ah)antracen)
Elementarna sestava Prašni delci so lahko sestavljeni iz oblice kemičnih elementov in spojin, ki se oblikujejo direktno iz vira in ostanejo v primarni obliki ali pa se s pomočjo obstoječih plinov ter drugih elementov in atmosferskih pogojev ter s tem kemičnih reakcij oblikujejo v sekundarni fazi. Med elementarno sestavo delcev se šteje kemične elemente kot so minerali, ki so prisotni v zemeljski skorji (največja prisotnost je silicija, aluminija, železa in kalcija) in se s pomočjo mehanskih ter drugih procesov spustijo v zrak (ponavadi v grobih frakcijah). Pojavljajo pa se tudi sledovi kovin (kadmij, živo srebro, nikelj, krom, cink in svinec), ki ne izvirajo nujno iz zemeljske skorje in mehanskih procesov, ampak tudi termodinamičnih ob zgorevanju fosilnih goriv. Ti se lahko v sekundarni fazi spajajo z drugimi elementi kot je svinec (Pb), ki lahko oksidira v svinčev oksid (PbO).
Vir emisijeZnačilni elementiCestni promet
Motorni transport
Obraba motorja
Nadomestni katalizator
Obraba pnevmatik
Prah ob/na cestiščuBr, Pb, Ba, Mn, Cl, Zn, V, Ni, Se, Sb, As
Fe, Al
Redki materiali
Zn
EC, Al, Si, K, Ca, Ti, Fe, ZnIndustrijski objekti
Energetska postrojenja na nafto
Zgorevanje premoga
Rafinerije
Talilnice neželeznih kovin
Železarne ter jeklarne
Tovarne proizvajajoče se mangana
Rafinerije bakraV, Ni
Se, As, Cr, Co, Cu, Al, S, P, Ga
V
As, In, Cu, Zn
Pb
Mn
CuManjši izgorevalni procesi
Sežigalnice odpadkov
Izgorevanje lesa
Peka mesa na žaruZn, Sb, Cu, Cd, Hg, K, Pb
Ca, Na, K, Fe, Br, Cl, Cu, Zn
Na, Al, K, Sr, Ba, ClObdelava mineralov/drugih materialovMg, Al, K, Sc, Fe, MnPršenje morske vodeNa, Cl, S, KResuspenzija delcev talSi, V, Cr, Ca, Ti, Sr, Al, Mn, Sc
Sekundarni anorganski ioni
Prašni delci se razlikujejo glede na primarno (direktno iz vira) in sekundarno formacijo. Sekundarna formacija se izvede v atmosferi na katero vplivajo že predhodno prisotni plini in s tem različne kemične reakcije ter drugi fizikalni procesi, kot so oksidacija žveplovega dioksida (SO2), dušikovih oksidov (NOx) in amonijaka (NH3), ki prevladujoče se izvirajo iz emisij fosilnih goriv (SO2, NOx) ter kmetijstva (NH3). Sulfat (SO4), nitrat (NO3) in amonij (NH4) so prevladujoče komponente sekundarnega anorganskega iona v prašnih delcih, ki se zaradi sočasne prisotnosti amonija v atmosferi, pojavijo kot amonijev sulfat ((NH4)2SO4) ter amonijev nitrat (NH4NO3) in izvirajo s pomočjo nevtralizacije žveplene kisline (H2SO4) ter dušikove kisline (HNO3) z amonijakom (NH3). Oksidacija (SO2) vedno rezultira v formaciji aerosolov (zaradi nizkega pritiska), medtem, ko so dušikovi oksidi (NOx) razdeljeni med plinasto fazo in fazo »trdnega« delca. Nevtralizacija žveplene kisline ponavadi prevlada nad nevtralizacijo dušikove kisline .
Sekundarna formacija je odvisna od kemičnih reakcij s predhodno obstoječimi plini in koncentracijami oksidov v atmosferi ter od kemičnih in fizikalnih karakteristik obstoječih prašnih delcev s katerimi se potencialno lahko poveže v večji delec. Vremenske spremenljivke kot so temperatura zraka, vlaga, veter, pritisk in sončno sevanje pa lahko zavrejo ali pa pospešijo ta proces.
VirSpojineReja živaliNH3Produkti atmosferske transformacije SO2, NOx in NH3H(+), SO4(2-), NO3(-), NH4(+)Kotlovnica na premog in oljeSO4(2-), NH4(+)SežigalnicaNH4(+), NO3(-)SO4(2)Dim zaradi sežiganja lesaNitrat, sulfat, NH4Kurišča za peko mesaNitrat, sulfat
Ogljikove spojine Delež ogljikovih spojin v delcih predstavljajo različne vrste organskih spojin, med katerimi sta najbolj pomembni: elementarni ogljik (EC) in organski ogljik (OC). Elementarni ogljik (tudi črni ogljik) je oblikovan med visokotemperaturnim izgorevanjem fosilnih goriv ter biomase in predstavlja inertni sledilni del primarnega (izgorevalnega) prašnega delca. Ogljik v obliki organskih spojin je lahko primarnega izvora (transport, industrija, obraba in suspenzija bioloških ostankov,..) in pa tudi sekundarnega (oksidacija hlapnih organskih spojin). Ogljikove spojine lahko predstavljajo tudi do 60% masnega deleža finih delcev v velikosti manjših od 2.5 µm, ki so prisotni v urbanem in obcestnem okolju ter od 10 do 20% masnega deleža delcev manjših od 10 µm . Vsebnost ogljikovih spojin zato spremlja tudi agencija Republike Slovenije za okolje, ki lahko na podlagi tega lažje določa sam izvir delcev in strategije kontrole tega dela emisij prašnih delcev.
Organska sestava Organske spojine so izpuščene v zrak ob samem procesu predelave, izdelave, uporabe in obrabe velikega števila materialov ter produktov. V večini so lahko-hlapne ali pa polhlapne, kar pomeni, da se v stiku z atmosferskimi pogoji zelo hitro uparijo.
Polhlapne organske spojine so v atmosferi lahko v obliki pare ali pa delca (trdnega, tekočega). Organske spojine vedno vsebujejo ogljik (v tem primeru izključujoč CO2, CO,..), skoraj vse pa tudi ogljiko-vodikovo (C-H) vez, predstavljajo pa lahko tudi do 30% mase PM2.5 in do 20% mase PM10. Ponavadi se nahajajo v notranjosti prašnega delca, v manjši meri pa tudi na površini.