Svetloba kot nujno potrebni pogoj za življenje se je že davno vtkala v religijo in mitologijo. Največji vladarji v zgodovini so se istovetili s Soncem, pokojnikom prižigamo sveče, se obdarujemo z nakitom, ki lepo odbija svetlobo, govorimo o iskri življenja. Proslavljamo z ognjemeti. Tudi 20-letnico samostojne Slovenije, ko se je osrednja prireditev na Kongresnem trgu v Ljubljani v večernih urah končala z veličastnim ognjemetom.
Imajo pa ognjemeti tudi drugo plat. Povzročajo nastanek dima, ki vsebuje težke kovine, ogljik, žveplo in nekatere precej strupene snovi. Hipna oksidacija lahko povzroči emisijo svetlobe, zato se uporabljajo spojine, katerih oksidacija je močno ekzotermna, z dodajanjem kovinskih sulfatov, kloridov, fluoridov, oksidov in nitratov pa je mogoče dobiti barvne učinke.
Pri eksploziji se plini in nanodelci manjši od desetinke mikrometra kot trdni reakcijski produkt reakcije širijo z veliko hitrostjo v radialni smeri iz centra eksplozije, zato je združevanje tako nastalih nanodelcev v času takoj po eksploziji nemogoče. Delci trkajo z molekulami zraka in so nukleacijska jedra za kondenzacijo vodne pare. Tako povzročijo nastanek meglice, ki jo pri ognjemetu vidimo kot dim, v resnici pa so to roji drobnih vodnih kapljic, ki v notranjosti vsebujejo nanodelce. Več kot je vlage v ozračju, večje so kapljice. Zaradi trkov z molekulami zraka in med seboj se tako oblečeni delci razmeroma počasi premikajo v določeni smeri in »meglica« lebdi nad mestom eksplozije.
Če ni dežja, onesnaženost ozračja zaradi ognjemeta traja lahko tudi več tednov, še posebej v manj prezračenih dolinah, kjer je manj možnosti, da delce odnese k sosedom. Pri dihanju nanodelci skupaj z zrakom zaidejo globoko v pljuča. Medtem ko se večji delci z velikostjo več kot 100 nm ustavijo že v nosu, žrelu in bronhijih, manjši od 50 nm dosežejo območje malih sapnic in pljučnih mešičkov, od koder lahko pridejo direktno v krvni obtok, ki jih potem raznese po vsem telesu.
V organizmu se kopičijo predvsem v notranjih organih, ki filtrirajo kri, kot so jetra, ledvice, vranica, bezgavke, nekateri pa lahko zaidejo tudi v možgane, kjer vplivajo na komunikacijo med živčnimi celicami.
Meritev
Na Odseku za fiziko trdne snovi Inštituta Jožef Stefan smo se odločili, da z detektorjem nanodelcev SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer, Model 3936L75, proizvajalca TSI) pomerimo učinke uvodoma omenjenega slavnostnega ognjemeta na stopnjo onesnaženosti ljubljanskega zraka. Napravo smo namestili 100 metrov stran od Kongresnega trga na streho Elektrotehniške-računalniške strokovne šole in gimnazije Ljubljana, na Vegovi ulici.
Meritev razporeditve nanodelcev po velikosti v območju od 14 do 750 nanometrov smo začeli dva dneva pred ognjemetom in nadaljevali 10 dni po njem. V petek 24. junija je padal dež, kar je bilo za meritev ugodno, saj je spral iz ozračja delce zaradi onesnaženosti, ki jo v poletnem času povzročajo predvsem vozila na dizelski pogon.
Hitrost vetra je bila po podatkih Agencije RS za okolje 1 m/s v severovzhodni smeri, to pomeni, da je veter rahlo odnašal meglico z delci stran od naše merilne postaje, ki leži zahodno od Ljubljanskega gradu. Velika zračna vlaga (92 odstotkov) po dežju je poskrbela, da je bila »meglica« lepo vidna, saj so imeli delci na razpolago dovolj vode za oplaščenje.
Vsaka meritev številske porazdelitve delcev po velikosti je trajala 6 minut in pri tem smo vzorčili 1,5 litra zraka. Štiri ure pred ognjemetom je bilo v kubičnem centimetru zraka izmerjenih 6.000 delcev.
Ognjemet se je začel ob 22:21 in je trajal 5 minut. Prvo veliko povečanje števila nanodelcev smo opazili ob 22:38, to je 17 minut po začetku ognjemeta, drugo najbolj izrazito povečanje je bilo ob 23:20, torej uro po začetku ognjemeta in tretje še uro kasneje, točno 14 minut po polnoči. Večji delci so prišli najhitreje, s povprečno hitrostjo 0,3 m/s in največ jih je bilo velikih okrog 150 nm; v kubičnem centimetru je bilo izmerjenih 19.000 nanodelcev vseh merjenih velikosti.
V drugem valu, ki je bil najmočnejši, so prišli manjši nanodelci, največ jih je imelo premer okrog 60 nm in jih je bilo 24.000 v cm3, kar pomeni 400-odstotno povečanje števila nanodelcev glede na stanje pred ognjemetom. Za njimi smo detektirali še zadnji val s povprečno velikostjo 70 nm in številčno koncentracijo 14.000 /cm3.
Če upoštevamo približno krogelno simetrično širjenje nanodelcev in dejstvo, da tako majhni delci niso podvrženi znatni sedimentaciji, smo pri posamezni meritvi zajeli le 0.00000000001 celotnega onesnaženega volumna. Število izmerjenih delcev je torej potrebno pomnožiti s sto milijardami, da dobimo približno oceno, koliko delcev je bilo pri ognjemetu sproščenih v ozračje. Na podlagi tistih delcev, ki so prišli do našega detektorja v drugem valu, lahko ocenimo, da je bilo pri ognjemetu sproščenih najmanj 1.000.000.000.000.000 nanodelcev. Če bi izmerjene delce s povprečno velikostjo 50 nm zložili v vrsto, bi bila ta dolga 100.000 km in bi se več kot dvakrat lahko ovila okrog našega planeta.
Šibka zakonodaja
Z detektorjem pomerjena velikost delcev je zgornja meja velikosti nanodelcev, saj so le-ti lahko bistveno manjši od kapljic, v katere so ujeti. Vendar je velikost delca in ne kapljice tista, ki določa, kako veliko bo tveganje za zdravje, če tak zrak vdihavamo. Poleg velikosti je pomembna kemijska sestava, saj v pirotehniki uporabljena sredstva ne spadajo med živila, čeprav posredno pridejo v naše telo in veljavni varnostni ukrepi so povezani le s preprečevanjem poškodb zaradi eksplozij in morebitno kakšnega požara, za kar je malo verjetnosti, saj z raketami pri takih velikih ognjemetih delajo profesionalci. Zakonodaja žal ne določa standardov in kontrolnih aktivnosti glede učinkov ognjemeta na onesnaženost zraka.
Barve posameznih raket slavnostnega ognjemeta so bile rdeča, oranžna, rumena, bela, modra in zelena. Kemijska analiza zajetih nanodelcev po ognjemetu je pokazala vsebnosti posameznih elementov, ki jih vsebujejo spojine, ki se uporabljajo za pirotehniko in ki jih pred ognjemetom nismo zaznali: magnezij (Mg) – zelo reaktivna kovina za bele iskre in sestavina za žareče zvezde; aluminij (Al) – najpogosteje uporabljen v moderni pirotehniki, saj povzroči svetel, bel plamen; baker (Cu) – za modro barvo, svinec (Pb) – za vžig in za razpadajoče zvezde, železo (Fe) – za rumene, pahljačaste iskre; v kombinaciji z ogljikom (C) je še posebej dobro gorljiv; kalij (K) – najpogosteje uporabljen oksidant; kalcij (Ca) – za oranžno bravo.
Meritve so le kvalitativne, saj bi kvantitativna analiza zahtevala zajem večjih količin vzorčenega zraka, v našem primeru bi morali prečrpati milijone kubičnih metrov zraka, mi pa smo ga prečrpali »le« 1,2 kubičnega metra. Kljub šibkemu vetru stran od merilne postaje in majhni količini vzorčenega zraka pa je jasno dokazana onesnaženost zraka zaradi ognjemeta.
Onesnaževanje zraka na potenco
Ljubljana ima težave zaradi prevelike koncentracije trdnih delcev v zraku tudi brez ognjemetov, z njimi pa zrak onesnažujemo še z nevarnimi snovmi. Predsednik Slovenije dr. Danilo Türk je na slovesnosti dejal, da smo za neodvisnost potrebovali um in pogum. Ali ga imamo tudi za to, da se odpovemo onesnaževanju okolja z ognjemeti, zastremo luči in otrokom pokažemo prave zvezde?
Ivan Iskra, univ. dipl. el.
izr. prof. dr. Maja Remškar
Odsek za fiziko trdne snovi in Center odličnosti Namaste
Institut Jožef Stefan, Ljubljana