Czego wciąż nie wiemy o pyle drogowym
4. Emisja pyłu ze ścierania nawierzchni; problemy pomiarowe
Emisja pyłu ze ścierania nieutwardzonej i utwardzonej nawierzchni drogowej nie jest łatwa do wyodrębnienia w terenie i w związku z tym badania wykonuje się w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Przyjęto w nich, że każdy czynnik niezwiązany ze ścieraniem nawierzchni i zużyciem opon przypisywany jest do innych źródeł. Kontrolowane eksperymenty z mobilnych symulatorów obciążenia wykazały, że bezpośrednie ścieranie nawierzchni dróg utwardzonych ma niewielkie znaczenie dla tych w dobrym stanie. Ilość cząstek pyłu z dróg nieuszkodzonych jest niewielka w porównaniu do ilości pyłu osiadłego i wtórnie zawieszonego w powietrzu pod wpływem ruchu samochodów. Znaczące emisje PM10 ze ścierania podłoża obserwowano tylko na drogach utwardzonych wyraźnie uszkodzonych (Bukowiecki i in. 2010; Thorpe i Harrison 2008).
Wyraźne i wysokie obciążenie emisją pyłów z dróg stwarzają nawierzchnie nieutwardzone, głównie drogi gruntowe, tłuczniowe (drogi szutrowe), wykonane z kruszonego gruzu oraz żużlowe (Gillies i in. 1999, 2005). W porównaniu do dróg utwardzonych (brukowanych, betonowych, asfaltowych) wierzchnie warstwy drogi nieutwardzonej w wyniku tarcia kół o nawierzchnię są poruszane przy każdorazowym przejeździe pojazdu. Uwolniony materiał jest unoszony pod wpływem podciśnienia wytwarzanego przez odrywającą się z nawierzchni powierzchnię opon, jak również podnoszony z powierzchni drogi na bieżniku kół. Wpływ oddziaływania emisji z dróg nieutwardzonych na jakość powietrza atmosferycznego jest trudna do oszacowania ze względu na dużą zmienność w czasie. (Forman i in. 2013; Warner i in. 2001).
Głównym parametrem służącym do określania wielkości emisji z drogi nieutwardzonej jest występowanie w materiale nawierzchni cząstek o średnicy ziaren mniejszej niż 75 µm. Na podstawie poradnika opracowanego przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska ilość cząstek drobnych (w tym przypadku ziaren mniejszej niż 75 µm) mieści się w granicach od 1,8% do 35% dla dróg publicznych oraz od 0,2% do 29% dla dróg wewnątrzzakładowych. Udział procentowy cząstek w danym przedziale wielkości w materiale (skład frakcyjny) badany jest metodą sitową w zakresie wielkości cząstek od 75 µm do cząstek większych niż 4 mm oraz metodą dyfrakcji laserowej dla cząstek mniejszych od 75 µm (US EPA 1998).
Ze względu na ogromną liczbę źródeł cząstek stałych tworzących pył drogowy, identyfikacja tzw. znaczników lub grup znaczników (charakterystycznych metali lub związków chemicznych i/lub ich proporcji masowych w emisji) dla każdego źródła wydaje się z jednej strony konieczna, a z drugiej praktycznie niemożliwa. Głównym problemem w analizowaniu emisji jest tzw. podwójne rejestrowanie cząstek. Trudno stwierdzić, czy dany rodzaj pyłu (o danej charakterystyce fizykochemicznej) zalegającego na drodze powinien być uznawany za pochodzący od tylko jednego, dokładnie wskazanego, źródła (AQEG, 2005). Dotyczy to zwłaszcza pyłów ze ścierania nawierzchni drogowych. Występuje problem poprawnego identyfikowania materiału emitowanego bezpośrednio ze zużycia nawierzchni od tego, który osiadł na drodze, a następnie pod wpływem ruchu samochodów, ponownie zawieszony. Stwierdzono, że skład pyłu drogowego jest zdominowany przez pierwiastki i związki występujące w naturalnych źródłach czyli w glebie i gruntach; nierzadko cząstki z tych źródeł trudno odróżnić od cząstek ze ścierania drogi. Wynika z tego, że skład pyłu drogowego często odzwierciedla lokalną geologię oraz zmienia się wraz z lokalizacją. Znaczenie ma tu również pora roku, zwłaszcza w regionach, gdzie w miesiącach zimowych wymagane jest stosowanie soli drogowej i używanie opon zimowych (Kupiainen i in. 2003; Schauer i in. 2006). W badaniach prowadzonych w Szwecji wykazano również, że wilgotność dróg jest ważnym czynnikiem warunkującym ilość pyłu drogowego ponownie wzbijanego do powietrza (Omstedt i in. 2005). Ma to jednak odniesienie głównie do dróg poddawanych zabiegom odladzania. Istotne jest, że czas przebywania PM10 na nawierzchni betonowej szacowano jedynie na kilka godzin (Etyemezian i in.
2003).
5. Podsumowanie
Do powstania zanieczyszczeń powietrza w okolicach ciągów komunikacyjnych przyczynia się wiele źródeł emitujących cząstki stałe. Znajduje to odzwierciedlenie głównie w składzie chemicznym cząstek obecnych w materiale tzw. pyłu drogowego. Złożona natura chemiczna i geologiczna pyłu drogowego wymaga dokładnej analizy cząsteczek, a ze względu na jego ciągłe unoszenie pod wpływem ruchów powietrza i mieszanie z innymi cząsteczkami obecnymi w powietrzu, jest trudna do przeprowadzenia. Wydaje się, że wyniki uzyskane jedynie w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych mogą nie być miarodajne. (Bukowiecki i in. 2010).
Pomimo rosnącej ilości publikacji na temat źródeł zanieczyszczeń powietrza od ruchu drogowego, określenie wiarygodnych wskaźników emisji pyłów jest nadal problematyczne. Ma to bezpośrednio związek z brakiem wystarczających danych do oceny udziału emisji ze ścierania nawierzchni drogowych (zwłaszcza utwardzonych) w pyle drogowym. Zebranie takich informacji pozwoliłoby na dokładniejsze opisanie i prognozowanie skutków obciążenia środowiska, w tym ludzi, emisjami z komunikacji w wielu rejonach. Przydatna do pozyskania wspomnianych informacji analiza musi jednak obejmować szerokie spektrum badań składu fizykochemicznego cząstek ze ścierania nawierzchni drogowych w warunkach laboratoryjnych i w warunkach polowych.
Szczególnie obiecujące w tym kontekście wydaje się zbadanie nawierzchni betonowych.
6. Literatura
Adamiec E, Jarosz-Krzemińska E, Wieszała R (2016) Heavy metals from non-exhaust vehicle emissions in urban and motorway road dusts. Environmental Monitoring and Assessment 188:
369.
Amato F, Karanasiou A, Cordoba P i in. (2014) Effects of Road Dust Suppressants on PM Levels in a Mediterranean Urban Area. Environmental Science and Technology 48: 8069–8077.
Amato F, Pandolfi M, Moreno T i in. (2011a) Sources and variability of inhalable road dust particles in three European cities. Atmospheric Environment 45: 6777-6787.
Amato F, Viana M, Richard A i in. (2011b) Size and time-resolved roadside enrichment of atmospheric particulate pollutants. Atmospheric Chemistry and Physics 11: 2917-2931.
AQEG (2005) Particulate matter in the United Kingdom. DEFRA, London.
Bukowiecki N, Lienemann P, Hill P i in. (2010) PM10 emission factors for non-exhaust particles generated by road traffic in an urban street canyon and along a freeway in Switzerland.
Atmospheric Environment 44: 2330-2340.
Dahl A, Gharibi A, Swietlicki E i in. (2006) Traffic-generated emissions of ultrafine particles from pavement-tire interface. Atmospheric Environment 40: 1314-1323.
Duong TTT, Lee BK (2011) Determining contamination level of heavy metals in road dust from busy traffic areas with different characteristics. Journal of Environmental Management 92: 554-562.
Enroth J, Saarikoski S, Niemi J i in. (2016) Chemical and physical characterization of traffic particles in four different highway environments in the Helsinki metropolitan area. Atmospheric Chemistry and Physics 16: 5497–5512.
Etyemezian V, Kuhns H, Gillies J i in. (2003) Vehicle-based road dust emissions measurement (III):
effect of speed, traffic volume, location, and season on PM10 road dust emissions in the Treasure Valley, ID. Atmospheric Environment 37: 4583-4593.
Forman RTT, Sperling D, Bissonette JA i in. (2013) Road Ecology. Science and Solutions. Island Press.
Gehrig R, Zeyer K, Bukowiecki N i in. (2010) Mobile load simulators - A tool to distinguish between the emissions due to abrasion and resuspension of PM10 from road surfaces.
Atmospheric Environment 44: 4937–4943.
Geller MD, Ntziachristos L, Mamakos A i in. (2006) Physicochemical and redox characteristics of particulate matter (PM) emitted from gasoline and diesel passenger cars. Atmospheric
Environment 40: 6988–7004.
Gillies JA, Etyemezian V, Kuhns H i in. (2005) Effect of vehicle characteristics on unpaved road dust emissions. Atmospheric Environment 39: 2341-2347.
Gillies JA, Watson JG, Rogers CF i in. (1999) Long-Term Efficiencies of Dust Suppressants to Reduce PM10 Emissions from Unpaved Roads. Journal of the Air and Waste Management Association 49: 3-16.
Harrison RM, Hester RE (2017) Environmental Impacts of Road Vehicles: Past, Present and Future.
Royal Society of Chemistry.
Harrison RM, Jones AM, Barrowcliffe R (2004a) Field study of the influence of meteorological factors and traffic volumes upon suspended particle mass at urban roadside sites of differing geometries. Atmospheric Environment 38: 6361–6369.
Harrison RM, Jones AM, Lawrence RG (2004b) Major component composition of PM10 and PM2,5 from roadside and urban background sites. Atmospheric Environment 38: 4531–4538.
Harrison RM, Smith DJT, Luhana L (1996) Source Apportionment of Atmospheric Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Collected from an Urban Location in Birmingham, U.K. Environmental Science and Technology 30: 825-832.
Harrison RM, Tilling R, Callén Romero MS i in. (2003) A study of trace metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in the roadside environment. Atmospheric Environment 37: 2391–2402.
Hueglin C, Gehrig R, Baltensperger U i in. (2005) Chemical characterization of PM2,5, PM10 and coarse particles at urban, near-city and rural sites in Switzerland. Atmospheric Environment 39:
637–651.
Iijima A, Sato K, Yano K i in. (2007) Particle size and composition distribution analysis of automotive brake abrasion dusts for the evaluation of antimony sources of airborne particulate matter. Atmospheric Environment 41: 4908–4919.
Keuken M, Denier van der Gon H, van der Valk K (2010) Non-exhaust emissions of PM and the efficiency of emission reduction by road sweeping and washing in the Netherlands. Science od the Total Environment 408: 4591–4599.
Kumar P, Pirjola L, Ketzel M i in. (2013) Nanoparticle emissions from 11 non-vehicle exhaust sources - A review. Atmospheric Environment 67: 252-277.
Kupiainen K, Tervahattu H, Räisänen M (2003) Experimental studies about the impact of traction sand on urban road dust composition. Science of the Total Environment 308: 175–184.
Kwak J-H, Kim H, Lee J i in. (2013) Characterization of non-exhaust coarse and fine particles from on-road driving and laboratory measurements. Science of the Total Environment 458-460: 273-282.
Lenschow P, Abraham HJ, Kutzner K i in. (2001) Some ideas about the sources of PM10.
Atmospheric Environment 35: 23–33.
Lindgren A (1996) Asphalt wear and pollution transport. Science of the Total Environment 189–
190: 281–286.
Lough GC, Schauer JJ, Park JS i in. (2005) Emissions of metals associated with motor vehicle roadways. Environmental Science & Technology 39: 826–36.
Mancilla Y, Mendoza A (2012) A tunnel study to characterize PM2.5 emissions from gasoline-powered vehicles in Monterrey, Mexico. Atmospheric Environment 59: 449-460.
Miguel AG, Cass GR, Glovsky MM i in. (1999) Allergens in paved road dust and airborne particles.
Environmental Science & Technology 33 (23): 4159–4168.
Nicholls J (1998) Introduction in Asphalt Surfacings: A Guide to Asphalt Surfacings and Treatments Used for the Surface Course of Road Pavements.
NIOSH (2000) Hazard review: health effects of occupational exposure to asphalt. Department of Health and Human Services [DHHS] and NIOSH, Cincinnati, Ohio.
Omstedt G, Bringfelt B, Johansson C (2005) A model for vehicle-induced non-tailpipe emissions of particles along Swedish roads. Atmospheric Environment 39: 6088–6097.
Pant P, Harrison RM (2013) Estimation of the contribution of road traffic emissions to particulate matter concentrations from field measurements: a review. Atmospheric Environment 77: 78-97.
Pastuszka JS, Rogula–Kozłowska W, Zajusz-Zubek E (2010) Characterization of PM10 and PM2.5 and associated heavy metals at the crossroads and urban background site in Zabrze, Upper Silesia, Poland, during the smog episodes. Environmental Monitoring and Assessment 168: 613-627.
Przybek P (2004) Materiały malarskie – pomoc dydaktyczna. 400d&.
Querol X, Alastuey A, Ruiz CR i in. (2004) Speciation and origin of PM10 and PM2.5 in selected European cities. Atmospheric Environment 38: 6547–6555.
Rogula–Kozłowska W (2014) Traffic-Generated Changes in the Chemical Characteristics of Size-Segregated Urban Aerosols. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 93: 493-502.
Rogula–Kozłowska W (2015) Chemical composition and mass closure of ambient particulate matter at a crossroads and a highway in Katowice, Poland. Environment Protection Engineering 41: 15-29.
Rozporządzenie (WE) nr 715/2007 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 czerwca 2007 r. w sprawie homologacji typu pojazdów silnikowych w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z lekkich pojazdów pasażerskich i użytkowych (Euro 5 i Euro 6) oraz w sprawie dostępu do informacji dotyczących naprawy i utrzymania pojazdów.
Rozporządzenie Komisji (UE) nr 459/2012 z dnia 29 maja 2012 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 715/2007 Parlamentu Europejskiego i Rady oraz rozporządzenie Komisji (WE) nr 692/2008 w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z lekkich pojazdów pasażerskich i użytkowych (Euro 6).
Schauer JJ, Lough GC, Shafer MM i in. (2006) Characterization of metals emitted from motor vehicles. Research report (Health Effects Institute) 133: 77-88.
Thorpe A, Harrison RM (2008) Sources and properties of non-exhaust particulate matter from road traffic: a review. Science of the Total Environment 400: 270-282.
Thorpe AJ, Harrison RM, Boulter PG i in. (2007) Estimation of particle resuspension source strength on a major London Road. Atmospheric Environment 41: 8007-8020.
US EPA (1998) Emissions Factors & AP 42: Compilation of Air Pollutant Emission Factors.
Unpaved Roads. Environmental Protection Agency, U.S.
Warner LR, Sokhi R, Luhana L i in. (2001) Non-exhaust particle emissions from road transport: a literature review. Unpublished Report PR/SE/213/00.
Watson JG, Chow JC (2007) Receptormodels for source apportionment of suspended particles.
Introduction to Environmental Forensics, second ed., vol. 2. Academic Press, New York, 279–
316.
Westerlund KG, Johansson C (2002) Emission of Metals and Particulate Matter Due To Wear Of Brake Linings In Stockholm. Air Pollution 10: 793–802.
Woodside AR (1998) Aggregates and Fillers in Asphalt Surfacings: A Guide to Asphalt Surfacings and Treatments Used for the Surface Course of Road Pavements.