Suured ja väikesed atmosfääri osakesed

VELJO KIMMEL

Praegusaja kaks suuremat õhusaastega seotud keskkonnaprobleemi on kliimamuutuste kiirenemine ja inimeste tervisevaevused linnades.1,2 Mõlemaga on seotud väikesed õhus hõljuvad osakesed.
Tavainimesele koosneb õhk vaid gaasidest, kuid see pole sugugi nii: õhus esineb alati ka tahkel ja vedelal kujul ainet, teaduslikult väljendatuna – aerosooliosakesi või ka lihtsalt osakesi. Osakeste suurus on mõnest nanomeetrist kuni sadakonna mikromeetrini (juuksekarva läbimõõt on enamasti mõnikümmend mikromeetrit). Niivõrd suur suuruste erinevus tähendab ka seda, et nad on küllalt erinevate omaduste ja tekkega. Suured tekivad valdavalt pinnase peenestamisel, nt tuule, naastrehvide, mehaanilise töötluse (treimine, lihvimine) käigus, väikesed aga pigem nukleatsiooni teel – gaasilise aine kondenseerumisel-sublimeerumisel. Looduslikes protsessides tekivad osakesed tuule, meresoolapritsmete, vulkaanilise tegevuse tõttu, inimtekkeliselt aga valdavalt gaasiliste ainete kondenseerumisel. Eri päritoluga osakesi ka nimetatakse erinevalt – peenestumisel tekkivaid tolmuks, põlemisel suitsuks, ainult vee kondenseerumisel uduks.

Sadametekkest liustike tumenemiseni
Otseselt atmosfääri paisatud osakesi nimetatakse primaarseteks ja gaasilistest ainetest tekkinuid sekundaarseteks. Proportsioonilt tekib looduslikult osakesi umbes kümme korda rohkem kui inimtekkeliselt, sealjuures looduslikult tekib rohkem primaarseid ja inimtekkeliselt sekundaarseid osakesi. (Räägitakse ka tertsiaarsetest-kvaternaarsetest osakestest rõhutamaks, mitut tekkeastet nende loomiseks vaja on – sekundaarsed tekivad otse gaasidest, tertsiaarsed pärast üht vaheetappi.) Tekkekoha järgi tekivad looduslikud osakesed valdavalt hajusallikatest (kogu mere või põllu pind), inimtekkelised pigem punktallikaist (küttekolded-katlamajad, ahjud, kaminad, tööstus, ventilatsioon). Sellest tulenevalt on ka osakeste kontsentratsioon inimasumeis suurem. On olukordi, kus on keeruline vahet teha. Näiteks maastikupõlengutes ja selle erivormina metsapõlengutes põleb küll looduslik materjal, aga tulekahjud on järjest enam inimtegevuse tagajärg: kuivendamine, hooletu lõkke tegemine, läätsena toimivate klaasikildude jätmine loodusesse jms. Kontsentratsiooni puhul saame rääkida arvkontsentratsioonist (kui palju teatud suurusega osakesi on), pindkontsentratsioonist ja ruumkontsentratsioonist. Pindkontsentratsioon on oluline, kui räägime kiirguslikest protsessidest (hajumine, neeldumine, peegeldumine) ning ruumkontsentratsioon siis, kui räägime massiga seotud mõjudest. Tervisevaevusi seostatakse pigem masskontsentratsiooniga, kuigi mitme uuringu järgi peaks ka osakeste arvu reguleerima ning Euroopa Liidus on vähemalt transpordiheitmetes osakeste arvu piiramiseni juba jõutud.
Tavaliselt on kuupsentimeetris peeneid osakesi kuni sadades tuhandetes ning jämedaid vaid kümnetes või sadades. Osakesed ei ole atmosfääris sugugi ühesuguste mõõtmetega tekkemomendist surmani, s.t eemaldumiseni. Väiksemad osakesed on suure liikuvusega ning seetõttu põrkuvad tihti üksteisega, aeg-ajalt pärast põrget kokku kleepudes. Looduslikult on selline kasvumehhanism vajalik, et gaasidest tekkinud mõnenanomeetristest osakestest tekiksid vähemalt mõnesaja nanomeetrised pilvetekke osakesed. Suurte osakeste eemaldumine atmosfäärist toimub palju kiiremini, nimelt on veeauru kondenseerumine juba olemasolevale pinnale oluliselt lihtsam kui ilma sellise pinnata ja seepärast nimetataksegi sobiva suurusega osakesi pilvetekke osakesteks (cloud condensation nucleae). Nii hoiavad sademed atmosfääri puhtust.
Eesti teadlased on aktiivsed osalised teadmiste laiendamisel osakeste kohta – just mõnenanomeetriste osakeste uurimisel tungitakse pioneeridena uutele aladele. Loodud seadmed on võimaldanud selgitada protsessi kulgemist gaasifaasist osakesteni ja avastada aerosooliosakeste tekkepuhanguid (bursts) algul Eestis, kuid nüüdseks on leitud, et tegemist on ülemaailmse fenomeniga ning mõõta tuleb osakesi ka kõrgemates atmosfääri kihtides, kus teised seadmed hakkama ei saa.3
Mida siis osakesed atmosfääris teevad? Osa neist peegeldab päikesekiirgust, mistõttu see ei pääsegi maapinda soojendama. Nii on leitud, et suurema saastatusega piirkonnad võivad üleilmse soojenemise korral hoopis jahtuda.4 Loomulikult osakesed ka hajutavad, mis on eriti selgelt nähtav kenasti punetava koidiku ja loojangu ajal, sest osakesed hajutavad punast kiirgust rohkem ja neelavad kiirgust. Kiirguse neeldumises on looduslike ja inimtekkeliste osakeste osakaal erinev: kui massi poolest domineerivad looduslikud allikad, siis kiirguslikult ollakse peaaegu võrdsed, ja seda just tänu põlemise käigus tekkivale tahmale ehk põlemata süsinikule. Võib isegi öelda, et grafiidi ja teemantide kõrval on meil olemas ka kolmas looduslik süsiniku esinemise vorm – dendriitjate ehk puuvõrana paigutunud molekulide ahelatena, tahmana õhus. Peale tahma hinnatakse kiirguslikult oluliseks ka pruuni orgaanilist süsinikku, mis samuti tekib põlemise käigus. Tahm (black carbon) neelab soojuskiirgust umbes sada korda rohkem kui tavaaine ja umbes kümme korda rohkem kui orgaaniline põlemisel tekkinud süsinik (brown carbon). Liustike tumenemist peetakse oluliseks nende sulamise kiirendamisel, nt Euroopas tööstuslikult ja transpordi tõttu tekkinud põlemisjäägid kandusid Alpidele, samuti kandusid India miljonite väikekütteseadmete (tänavakaubandus, kodumajapidamised) heitmed mussoontuultega Himaalajasse, suurendades nii liustike päikesekiirguse neelamist ja sellega ka kiirendades liustike sulamist.5

Looduslike osakestega oleme harjunud
On küllalt levinud arvamus, et osakesed tekivadki valdavalt põlemisest, kuid see ei ole sugugi nii. Ka sekundaarsed osakesed ei pea tekkima põlemisproduktidest – näiteks peamiselt põllumajanduslikku päritolu, kuid ka muudest anaeroobsetest protsessidest pärit ammoniaagi ja peamiselt veetaimede elutegevusest pärinevast vesiniksulfiidist tekkiva vääveldioksiidi reaktsioonidest atmosfääris tekib ammooniumsulfaat, mis esineb juba osakeste kujul. Samuti toimub osakeste kasv kiiremini just orgaanilise aine kondenseerumisel ning orgaanilist ainet tekib looduslikult kuni kümme korda rohkem, kui inimene suudab tekitada. Nii ongi lõpuks atmosfäärist välja sadeneva osakese kohta raske öelda, kust ta täpselt pärineb – algselt võib-olla ka põlemisest, kuid kosumine toimus nii veeauru kui ka orgaanilise aine kondenseerumisel. Selline koostise suur erinevus ongi üks põhjusi, miks arutletakse tõsiselt, kas peaks ka osakeste koostist kuidagi atmosfääris leiduvate osakeste piiramisel arvestama. On leitud, et looduslike osakestega, näiteks pinnase peenestamisel tekkiv tolm, on elusolendid ajapikku harjunud ja kahjulikke tagajärgi on harva. Liiva- või lumetorm võib küll lämmatada, kuid siis juba seetõttu, et hingamisteed ummistuvad. Inimtekkeliste osakeste korral on vaevused pigem tüüpilised. Igapäevakogemustest teame, kuidas siseruumides tekib suhteliselt kiiresti tolmukiht ka muidu puhtana hoitavates ruumides. Õnneks ei ole vaja liialt erutuda, sest suur osa kodutolmust on meile kahjutud surnud naharakud, riietest tekkinud tolm jms, mis vaevusi ei tekita.
Moodsa ökosüsteemi teenuste ideoloogia alusel osutavad atmosfääri osakesed kui ökosüsteemi osad mitmesuguseid teenuseid: puhastusteenust ehk pilveteket ühes sademetega, kiirguse peegeldamise ja nõrgendamise teenust töötamaks vastu soojenemisele, ülekandeteenust – transportides saastet ühest kohast teise kohta, et ka sealsed asukad liiga puhtas keskkonnas elada ei saaks. Paljud teenused ja osakeste suur varieeruvus (suurus, koostis, kuju) tingivad valdkonna keerulisuse, mistõttu tihti räägitaksegi vaid mõnest teenusest ja kindla suurusega osakeste grupist, mitte aga kogu laiast spektrist.
Universumit uurides on leitud, et elementaarosakeste mass võib mõjutada universumi arengut ja seega on looduses suured ja väikesed asjad omavahel seotud.

1  NASA veebileht http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Aerosols/page4.php
2  WHO, 2013 Review of evidence on health aspects of air pollution – REVIHAAP Project Technical Report
3  Kimmel, V. (toimetaja) jt. Õhusaaste käsiraamat, Tallinn 2015, 126 lk.
4  Alpert, P., Kischka, P. 2008. Quantification of the effect of urbanization on solar dimming. Geophysical Research Letters, 35, L08801, doi:10.1029/2007GL033012
5 http://climate.nasa.gov/news/979, http://www.ipsnews.net/2012/07/dirty-snow-hastens-glacial-melt-inhimalayas