Wyświetlenie artykułów z etykietą: ZMSR

Biomasa jako jedno z paliw alternatywnych w stosunku do węgla ma w zasadzie zerowy bilans emisji CO₂. W chwili obecnej udział biomasy w odnawialnych źródłach energii w skali europejskiej jest znaczący (ok. 50 %), choć ostatnio w niektórych krajach również spalanie biomasy objęte jest restrykcjami ze względów ekologicznych. Ostatnie badania wykazały, że spalania biomasy emituje do powietrza znaczne ilości pyłów oraz związków organicznych. W Polsce biomasa spalana jest w kotłach małej mocy wykorzystywanych do ogrzewania domów jednorodzinnych lub w niewielkich kotłowniach, które nie posiadają urządzeń odpylających. Udział biomasy drzewnej jest znaczny szczególnie poza tradycyjnym sezonem grzewczym, szczególnie w rejonach turystyczno-letniskowych, gdzie jest znacznie łatwiej dostępna niż węgiel. Wraz z popiołami lotnymi emitowanymi do atmosfery w trakcie spalania węgla dostają się do środowiska liczne szkodliwe substancje chemiczne. Jednym z nich są potencjalnie toksyczne metale i metaloidy, a głównym ich nośnikiem są technogeniczne cząstki magnetyczne (TMPs – głównie tlenki żelaza) tworzące się w trakcie spalania. Ze względu na właściwości magnetyczne TMPs ich obecność w środowisku może być łatwo wykryta przy zastosowaniu prostych pomiarów parametrów magnetycznych. W węglu żelazo występuje w formach mineralnych (głównie siarczki) o cechach paramagnetycznych, a w trakcie spalania przechodzi w formy tlenkowe, głównie o cechach ferrimagnetycznych dlatego też popioły po spalaniu węgla są „wzbogacane magnetycznie” w stosunku do paliwa wyjściowego. Biomasa składa się głównie z substancji organicznej o cechach diamagnetycznych, a żelazo zawarte w roślinach występuje głównie w formie związków organicznych (np. kompleksy metalo-organiczne, fitoferrytyna, chelaty) i spodziewana zawartość tlenków żelaza w popiołach powinna być znacznie niższa. Wstępne pomiary podatności magnetycznej pyłów po spaleniu kilku rodzajów biomasy wykazały zadziwiająco wysokie i zróżnicowane w zależności od typu spalanej biomasy wartości. Zachodzi więc duże prawdopodobieństwo, że również inne parametry magnetyczne (np. parametry histerezy magnetycznej) są zróżnicowane i na tyle charakterystyczne dla poszczególnych rodzajów spalanej biomasy, że można je wykorzystać jako wskaźniki rodzaju spalanej biomasy, oznaczane w próbkach popiołu. Drugim aspektem badań jest określenie na ile środowisko wzrostu biomasy, a więc, podłoże geologiczne, typ gleby i jej stan zanieczyszczenia, jak również wielkość depozycji atmosferycznych w okresie wzrostu roślin mają wpływ na zawartość pierwiastków śladowych i cząstek magnetycznych w popiołach dennych i lotnych po spalaniu biomasy. Jest to szczególnie istotne, jako, że w wielu miejscach biomasę pozyskuje się z terenów wyłączonych z produkcji żywności ze względów na wysokie zanieczyszczenie gleby, lub wręcz wykorzystuje się stare zwałowiska do produkcji biomasy. Rodzi się więc pytanie w jaki sposób warunki środowiska oraz poziom jego zanieczyszczenie wpływają na jakość zarówno drobnych cząstek popiołów lotnych emitowanych do atmosfery, jak i popiołów dennych coraz częściej wykorzystywanych do nawożenia gleby. Celem badań jest charakterystyka porównawcza popiołów lotnych i dennych po spalaniu wybranych rodzajów biomasy oraz określenia substancji chemicznych i parametrów magnetycznych które mogą być charakterystycznymi wskaźnikami poszczególnych rodzajów biomasy. Drugim celem jest określenie wpływu podłoża geologicznego i innych czynników środowiskowych (np. zanieczyszczenie powietrza, jakość gleby) na jakość ekologiczną spalanej biomasy. Badania prowadzone są na bazie próbek 6 różnych rodzajów biomasy w postaci dostępnych na rynku pelletów, jak również próbek biomasy drzewnej pozyskiwanej z czterech różnych lokalizacji: stare zwałowisko odpadów górniczych lub hutniczych, obszar, którego podłoże geologiczne stanowią naturalne wychodnie skał magmowych lub metamorficznych, stanowiących lokalna anomalię magnetyczno-geochemiczną, obszar o diamagnetycznym podłożu glebowym (piaski lub wapienie) będący w zasięgu wysokich wieloletnich emisji przemysłowo miejskich oraz obszar referencyjny gdzie występują gleby rozwinięte na diamagnetycznym podłożu glebowym (piaski lub wapienie) i w obszarach „czystych ekologicznie” z niską wieloletnia depozycją pyłów. Proces spalania prowadzone są w kotle małej mocy dostosowanym do spalania biomasy, najczęściej stosowanych w przydomowych instalacjach grzewczych, wyposażonym w analizatory i aparaturę kontrolną pozwalająca na monitorowanie i kontrolę warunków spalania. Przedmiotem analizy są próbki popiołów lotnych (pobieranych z filtrów) i popiołów dennych (pobieranych z rusztu). Analizy wykonywane są w trzech laboratoriach: magnetycznym, geochemicznym i mineralogicznym, aby w jak najpełniejszy sposób scharakteryzować badane popioły i określić parametry (zarówno magnetyczne jak i geochemiczne), które mogą być zastosowane jako środowiskowe wskaźniki rodzaju spalanej biomasy. Nowatorskim aspektem badań jest koncepcja połączenie parametrów magnetycznych z chemicznymi jako potencjalnych wskaźników określających rodzaj spalanej biomasy oraz określenie statystycznej istotności wpływu warunków środowiskowych w jakich następuje wzrost biomasy na jej jakość ekologiczną zarówno w aspekcie niskiej emisji zanieczyszczeń jak i potencjalnego wykorzystania popiołów.

Figura 1. Fotografie jednego ze stanowisk badawczych w sezonie wiosenno-letnim i jesienno-zimowym (niedaleko szczytu Kobyła, Góry Izerskie).

Figura 2. Zdjęcia z realizacji projektu (Góry Izerskie).

Monitoring magnetyczny zanieczyszczenia atmosfery, z uwagi na skuteczność do wstępnej oceny stanu powietrza obszarów objętych emisjami pyłowymi, jest z powodzeniem wykorzystywany w badaniach środowiskowych. Pyły i popioły lotne zawierające cząstki magnetyczne (które są nośnikami poszczególnych pierwiastków) przedostają się do atmosfery, a następnie w wyniku depozycji do poszczególnych komponentów środowiska, np. gleby, roślin, zwierząt i ludzi.

Głównym celem projektu było wykorzystanie zintegrowanych metod i technik badawczych, w celu uzyskania magnetyczno-geochemicznej  charakterystyki zanieczyszczeń  atmosferycznych, pochodzących z emisji dalekosiężnego transportu oraz źródeł lokalnych i zakumulowanych przez naturalne indykatory zanieczyszczeń powietrza, takie jak śnieg i mchy. Dodatkowo, w projekcie uwzględniono sezonowość (wyznaczoną w oparciu o warunki klimatyczne badanego obszaru i specyfikę lokalnego środowiska), czyli okresy grzewcze (jesienno-zimowe: od października do kwietnia) i nie-grzewcze (wiosenno-letnie: od maja do września).

Rezultaty badań i wynikające z nich wnioski zostały poparte stosunkowo dużą ilością danych zebranych z trzech stanowisk badawczych (zlokalizowanych w Górach Izerskich). Łącznie  pobrano i przeanalizowano 153 próbki (z zastosowanych indykatorów zanieczyszczeń), uzyskując ponad 3300 danych o charakterze magnetycznym i ponad 21OO danych o charakterze geochemicznym, które zostały uzupełnione i zestawione z danymi meteorologicznymi (IMGW-PIB Jakuszyce) oraz parametrami kwantyfikacji zanieczyszczeń. Pomimo faktu, że stanowiska badawcze (instalacje do absorpcji zanieczyszczeń) cechowały zbliżone warunki topograficzne, ilość cząstek magnetycznych oraz zawartości pierwiastków akumulowanych w naturalnych indykatorach zanieczyszczeń atmosferycznych była: (1) zmienna w zależności od umiejscowienia stanowiska badawczego; (2) niezależna od zastosowanych gatunków mchów; (3) porównywalna w przypadku pyłów wyizolowanych ze śniegu i w próbkach mchów; (4) wyższa w okresach grzewczych, niż w okresach nie-grzewczych.

Najczęściej stosowanym urządzeniem do pobierania zanieczyszczeń pyłowych są tzw. poborniki pyłowe wykorzystywane na stacjach monitoringu powietrza (zlokalizowanych w miejscach będących pod wpływem emisji zanieczyszczeń ze źródeł lokalnych: miejskich i/lub przemysłowych). Wykorzystana w projekcie metoda naturalnych indykatorów, pozwalająca ocenić wielkość i rodzaj napływających zanieczyszczeń w miejscach słabo dostępnych i/lub oddalonych od głównych źródeł emisji, może stać się atrakcyjną opcją wspomagającą dla tradycyjnych stacji pomiarowych (monitoringowych). Dodatkową zaletą wykorzystania bioindykatorów (mchy) oraz naturalnych akumulatorów zanieczyszczeń (śnieg) jest możliwość długiego czasu ich ekspozycji, co umożliwia zebranie większej ilości próby oraz brak potrzeby częstej kontroli, niezbędnej w przypadku wykorzystania specjalistycznej aparatury.

Reasumując, z racji charakteru przeprowadzonych badań oraz wykorzystania naturalnych indykatorów zanieczyszczeń, uzyskane wyniki mają znaczenie nie tylko w kontekście środowiska atmosferycznego czy geofizyki, ale także gleboznawstwa oraz klimatologii (w szczególności, w aspekcie lokalnych zmian klimatycznych, w których metody magnetyczne mają jak dotąd relatywnie ograniczone zastosowanie).

Gęsta siatka pomiarowa założona w strefie podokapowej świerka (Picea abies)

Metody geofizyczne wykorzystujące właściwości magnetyczne substancji są coraz powszechniej stosowane w badaniach środowiskowych. Współwystępowanie cząstek magnetycznych i poszczególnych pierwiastków w zanieczyszczeniach pyłowych emitowanych przez człowieka do atmosfery pozwala na detekcję tych zanieczyszczeń po ich opadnięciu na powierzchni gleby i migracji do jej głębszych poziomów. Drzewa odgrywają niebagatelną rolę na drodze przemieszczania się zanieczyszczeń pyłowych od momentu ich wychwycenia z atmosfery przez szpilki/liście aż do dystrybucji w glebie. Głównym celem projektu było wykorzystanie metod magnetycznych i geochemicznych do prześledzenia sposobu dystrybucji zanieczyszczeń pyłowych do gleby przez główne gatunki lasotwórcze w Polsce (sosna, świerk, dąb, buk). Gęste siatki pomiarowe założone pod koronami drzew i duża liczba pobranych próbek w postaci rdzeni glebowych pozwoliły na szczegółową analizę magnetyczną odzwierciedlającą rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń pyłowych pod poszczególnymi gatunkami drzew. Na podstawie pobranych 1086 rdzeni glebowych i 32 580 pomiarów magnetycznych, stworzono trójwymiarowe modele dystrybucji cząstek magnetycznych pod każdym z gatunków na czterech różnych powierzchniach badawczych. Wyniki wskazały, że o ile różnice w ilości zanieczyszczeń pyłowych pod poszczególnymi gatunkami rosnącymi na tym samym terenie są niewielkie, to różnice w sposobie dystrybucji tych zanieczyszczeń są już znaczące.

Zrealizowane badania są pierwszymi na świecie, które pokazały szczegółowo w trójwymiarowych modelach sposób dystrybucji cząstek magnetycznych w glebie. Aktualnie magnetometria jest z powodzeniem wykorzystywana w badaniach różnych elementów środowiska. Dla wielu badań stosujących magnetometrię glebową, obiektem badawczym są wielkoobszarowe  tereny przemysłowo-miejskie, bądź pojedyncze profile glebowe. Niniejszy projekt zapoczątkował podjęcie nowego kierunku badań magnetycznych w mezo-skali z uwzględnieniem roli specyficznego obiektu badawczego jakim jest pojedyncze drzewo. Wybór w projekcie tego typu obiektów badawczych, powoduje, że uzyskane wyniki mają znaczenie nie tylko w kontekście gleboznawstwa i geofizyki, ale także leśnictwa i wybranych gałęzi rolnictwa, w których metody geofizyczne mają jak dotychczas ograniczone zastosowanie.