Aerosol hygroscopicity and photodegradation in the polluted Indo-Gangetic Plain compared with the clean Himalayas examined using a quartz crystal microbalance

जिस हवा में हम सांस लेते हैं, वह कभी वास्तव में खाली नहीं होती। यह धूल, कालिख और नमक के सूक्ष्म, तैरते हुए कणों से भरी होती है, जिन्हें एरोसोल कहा जाता है। ये सूक्ष्म कण हमारे ग्रह की जलवायु में एक बड़ी भूमिका निभाते हैं। वे सूर्य के प्रकाश को वापस अंतरिक्ष में परावर्तित करके पृथ्वी को ठंडा कर सकते हैं, या गर्मी को अवशोषित करके इसे गर्म कर सकते हैं। शायद इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि वे उन बीजों के रूप में कार्य करते हैं जिन पर बादल बनते हैं। इन कणों के बिना, वायुमंडल में जल वाष्प का वर्षा की बूंदों या बर्फ के क्रिस्टल में संघनित होना कठिन होगा। हालाँकि, इन कणों का व्यवहार स्थिर नहीं है; यह इस बात पर निर्भर करता है कि वे किस चीज से बने हैं और उनके आसपास की हवा में नमी कितनी है। जब हवा में आर्द्रता अधिक होती है, तो कुछ कण पानी सोखकर फूल जाते हैं, जबकि अन्य सूखे रहते हैं। पानी को आकर्षित करने और थामे रखने की यह क्षमता, जिसे हाइग्रोस्कोपिसिटी (hygroscopicity) कहा जाता है, यह निर्धारित करती है कि कण कितने बड़े होते हैं, वे आकाश में कब तक रहते हैं, और वे बादलों में बदलने में कितने प्रभावी होते हैं। मौसम के पैटर्न का पूर्वानुमान लगाने और भविष्य के जलवायु परिवर्तन का मॉडल तैयार करने के लिए इन सूक्ष्म बदलावों को समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है, फिर भी विभिन्न प्रकार के प्रदूषण नमी वाली हवा में कैसे व्यवहार करते हैं, इसके सटीक नियम अभी भी एक पहेली बने हुए हैं।

इस पहेली के एक हिस्से को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने भारत के दो बिल्कुल अलग कोनों की तुलना करने के लिए यात्रा की। एक स्थान लेह था, जो हिमालय में एक उच्च ऊंचाई वाला रेगिस्तान है, जहाँ की हवा विरल, ठंडी और उल्लेखनीय रूप से स्वच्छ है। दूसरा दिल्ली था, जो भारत-गंगा के मैदान में स्थित एक विशाल, घनी आबादी वाला महानगर है, जो अपनी घनी धुंध और तीव्र प्रदूषण के लिए जाना जाता है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि इन दोनों दुनियाओं के सूक्ष्म कण नमी और सूर्य के प्रकाश के संपर्क में आने पर कैसा व्यवहार करते हैं। उन्होंने महीन धूल के नमूने एकत्र किए, विशेष रूप से वे कण जो 2.5 माइक्रोमीटर से छोटे हैं, और उन्हें नियंत्रित परिस्थितियों में परीक्षण करने के लिए एक प्रयोगशाला में लाए। एक अत्यधिक संवेदनशील उपकरण, जिसे क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस (quartz crystal microbalance) कहा जाता है—जो कुछ नैनोग्राम जितने छोटे द्रव्यमान में परिवर्तन का पता लगा सकता है—का उपयोग करके, उन्होंने देखा कि आर्द्रता बढ़ने पर कण कैसे बढ़ते हैं और पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आने पर वे कैसे सिकुड़ते हैं।

परिणामों ने दोनों वातावरणों के बीच एक स्पष्ट अंतर प्रकट किया। स्वच्छ हिमालयी हवा के कण बहुत ही अनुमानित, क्रिस्टलीय तरीके से व्यवहार करते थे। जैसे-जैसे आर्द्रता बढ़ी, वे तब तक ठोस रहे जब तक कि हवा एक विशिष्ट बिंदु, लगभग 68 प्रतिशत आर्द्रता तक नहीं पहुँच गई। उस सटीक क्षण पर, उन्होंने पानी का एक तीव्र विस्फोट अवशोषित किया और तरल बूंदों में घुल गए, जिसे डेलिक्वेसेंस (deliquescence) कहा जाता है। यह तीव्र संक्रमण मुख्य रूप से लवणों और अत्यधिक घुलनशील कार्बनिक यौगिकों से बने कणों की विशेषता है। वास्तव में, ये हिमालयी कण पानी को पकड़ने के लिए काफी उत्सुक थे, और जैसे-जैसे हवा अधिक नम होती गई, उनमें बढ़ने की प्रबल प्रवृत्ति देखी गई। उनमें ऐसे घटक भी थे जो सूर्य के प्रकाश द्वारा आसानी से टूट सकते थे। जब शोधकर्ताओं ने उन पर पराबैंगनी प्रकाश डाला, तो कण के द्रव्यमान का एक महत्वपूर्ण हिस्सा वाष्पित हो गया, जिससे यह संकेत मिला कि स्वच्छ पर्वतीय हवा में मौजूद कार्बनिक पदार्थ रासायनिक रूप से सक्रिय थे और धूप में फीके पड़ने के प्रति प्रवृत्त थे।

इसके विपरीत, प्रदूषित शहर दिल्ली के कणों ने उसी व्यवस्थित ढंग से व्यवहार करने से इनकार कर दिया। यहाँ तक कि जब आर्द्रता बढ़कर 86 प्रतिशत तक पहुँच गई, जो प्रयोग द्वारा सुरक्षित रूप से पहुँचा जाABLE उच्चतम स्तर था, इन कणों ने ठोस से तरल में वह अचानक और तीव्र संक्रमण कभी नहीं दिखाया। इसके बजाय, वे एक चिपचिपे, अमोर्फस (amorphous) अवस्था में बने रहे, और बहुत धीरे-धीरे और क्रमिक रूप से पानी सोखते रहे। वे अपने हिमालयी समकक्षों की तुलना में पानी लेने के लिए बहुत कम उत्सुक थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि दिल्ली के कण संभवतः जटिल, कम घुलनशील कार्बनिक यौगिकों से ढके हुए थे, जो संभवतः वाहन के धुएं और ठोस ईंधन के जलने से उत्पन्न हुए थे, जिसने उन्हें साफ तौर पर घुलने से रोक दिया। इसके अलावा, ये शहरी कण सूर्य के प्रकाश के प्रति बहुत अधिक प्रतिरोधी थे। जब उन्हें समान पराबैंगनी विकिरण के संपर्क में लाया गया, तो उन्होंने पर्वतीय कणों की तुलना में बहुत कम द्रव्यमान खोया, जो दर्शाता है कि उनकी रासायनिक संरचना अधिक स्थिर और तोड़ने में कठिन थी।

ये निष्कर्ष इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि प्रदूषण का स्रोत उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि प्रदूषण की मात्रा। हिमालय की हवा, हालांकि प्रमुख शहरों से दूर है, उन पुराने कणों को वहन करती है जो लंबी दूरी तय करके आए हैं और घुलनशील लवणों एवं प्रतिक्रियाशील कार्बनिक पदार्थों के मिश्रण में बदल गए हैं। हालाँकि, दिल्ली की हवा मुख्य रूप से ताज़ा, स्थानीय रूप से उत्पन्न उत्सर्जन से प्रभावित है जो कणों पर एक चिपचिपी, पानी को दूर रखने वाली परत बना देती है। यह रासायनिक संरचना का अंतर यह बदल देता है कि कण वायुमंडल के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। स्वच्छ पर्वतीय कणों के पानी के साथ फूलने और संभावित रूप से बादलों को बनाने की अधिक संभावना होती है, जबकि गंदे शहर के कण छोटे और सूखे रह सकते हैं, जिससे सूर्य के प्रकाश और वर्षा पर उनका प्रभाव बदल जाता है। अध्ययन यह भी रेखांकित करता है कि हवा का इतिहास, जिसमें कणों के सूर्य के प्रकाश और आर्द्रता के संपर्क में रहने की अवधि शामिल है, उनके भौतिक गुणों को आकार देता है।

इन व्यवहारों को सीधे मापकर, शोधकर्ताओं ने भारतीय उपमहाद्वीप के दो महत्वपूर्ण क्षेत्रों में एरोसोल कैसे कार्य करते हैं, इसकी एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान की। डेटा बताता है कि जलवायु और मौसम की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडलों को इन विशिष्ट रासायनिक अंतरों को ध्यान में रखना चाहिए। सभी कणों के साथ ऐसा व्यवहार करना जैसे कि वे आर्द्रता या सूर्य के प्रकाश के प्रति एक समान प्रतिक्रिया देते हैं, गलत पूर्वानुमान की ओर ले जाएगा। अध्ययन पुष्टि करता है कि हवा का कार्बनिक अंश, चाहे वह पहाड़ों में प्राकृतिक स्रोतों से आए या मानवीय गतिविधियों से, यह निर्धारित करने में निर्णायक भूमिका निभाता है कि कोई कण बढ़ेगा, सिकुड़ेगा या घुलेगा। जैसे-जैसे जलवायु बदलती है और प्रदूषण के पैटर्न बदलते हैं, हमारे वायुमंडल के भविष्य को समझने के लिए इन सूक्ष्म अंतःक्रियाओं को समझना तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है।