Biosfera – moje i twoje siedlisko
1.3. Zanieczyszczenia atmosfery
Aerosfera podlega zmianom środowiskowym wskutek jej zanieczyszczenia.
Zależnie od pochodzenia, źródła zanieczyszczeń atmosfery dzieli się na:
• naturalne: spowodowane przez wybuchy wulkanów, pożary lasów, łąk, ero-zję wietrzną gleby, unoszenie pyłków roślinnych i rozpylonych cząstek ob-umarłej substancji organicznej, aerozole wody morskiej zawierające sól;
• antropogeniczne: których źródłem są wysoko latające samoloty, spalanie pa-liw kopalnych, przemysł górniczy, hutniczy, samochodowy, materiałów bu-dowlanych, chemiczny, farmaceutyczny, rolniczy, galwanizerski, hodowlany i wiele innych.
Za zanieczyszczenie atmosfery uważa się każdy składnik aerosfery znie-kształcający naturalny skład powietrza. Tabela 2. przedstawia główne źródła emi-sji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego.
Podziału zanieczyszczeń można dokonać na podstawie ich stanu skupienia. Są to zanieczyszczenia:
• stałe: pyły, dymy;
• gazowe: NOx, CO2, SO2, CO, PAH (WWA), azotan acetoksylu (PAN), O3, oraz fluorowodór (HF), freony (CFC), tetrachlorek węgla (CCl4), które prze-mieszczają się przez transport masowy i przez dyfuzję;
Tabela 2. Główne źródła uwalniania zanieczyszczeń do atmosfery (Alloway, Ayres, 1999)
Źródło Główne zanieczyszczenia Komentarze
Kominy domów
Wiele związków organicznych, w tym węglowodory związane z cząstkami zawartymi w dymie lub jako opary: SO2, CO2, NO2, i inne
gazy
Poziom zanieczyszczeń zależny od jakości spalonego paliwa i oczyszczenia
gazów kominowych Kominy
obiektów przemysłowych, elektrowni itp.
Podobnie jak dla kominów domowych oraz wiele innych zanieczyszczeń w zależności od charakteru działalności w danym miejscu, związki
radioaktywne z elektrowni jądrowych
CO2, NOx, węglowodory i inne zanieczyszczenia organiczne, związki ołowiu (głównie nieorganiczne i nieco organicznych) tam, gdzie
używa się paliwa z domieszką ołowiu
Poziom zanieczyszczeń w znacznym stopniu zależny od typu silnika i układu
wydechowego; rosnące zużycie benzyny bezołowiowej ogranicza
zanieczyszczenie Pb Stosowanie
pestycydów Insektycydy, fungicydy i herbicydy
Lotne pestycydy łączą się z powietrzem w postaci oparów; do atmosfery dostają
się również kropelki z oprysków i preparaty pyłowe Uwalnianie
z lodówek Freony Obecnie wiele krajów ściśle ogranicza
używanie tych związków jako propelentów Aerozole Freony, np. CF2Cl, CFCl3
172 Ewa Jadwiga Lipińska
• ciekłe: drobiny i kropelki mgły, będące skutkiem połączenia rozpuszczal-nych zanieczyszczeń stałych i gazowych (SO2 i NOx).
Mieszanina tych substancji z wilgocią atmosferyczną tworzy aerozol; układ dwufazowy: ciało stałe–gaz, lub układ trójfazowy: ciało stałe – gaz – ciecz.
Ze względu na pochodzenie, zanieczyszczenia atmosfery dzieli się na: pierwotne (np. dym, WWA, Co, NOx, Pb, Br, Cl, SO2) i wtórne (np. O3, NO2 i azotan acetoksylu – powstające w wyniku reakcji fotochemicznych, których skutkiem jest smog).
Aerozole atmosferyczne można podzielić według cech fazy rozpraszającej na:
• pyły kondensacyjne: formy kuliste, o rozmiarach fazy stałej 0,03 ÷ 0,02 μm, powstające wskutek skraplania się i zestalania par (np. chlorek amonowy, tle-nek cynku);
• pyły dyspersyjne: o różnych formach cząsteczki i rozmiarach rzędu 0,01 ÷ 1,0 μm (spaliny olejowe, tytoniowe, sadza);
• pyły o rozdrobnieniu mechanicznym: o różnych formach cząsteczek i roz-miarach od 1,0 do 2 000 μm (np. popiół lotny, nawozy sztuczne, pył węglo-wy, piasek odlewniczy, pyłki kwiatowe, bakterie) zlokalizowane głównie na obszarach miejsko-przemysłowych;
• mgły wodne i mgły związków chemicznych: o rozmiarach kropel rzędu 0,5 ÷ 500 μm; oraz krople deszczu o rozmiarach do 5 000 μm.
Za szczególnie szkodliwe dla zdrowia człowieka uznaje się zanieczyszczenia o roz-miarach cząstek poniżej 5 μm, które przenikają do organizmu przez drogi oddechowe.
Przykładem zanieczyszczenia atmosfery jest smog atmosferyczny, który jest mieszaniną mgły i dymu nasyconych różnorodnymi zanieczyszczeniami gazowy-mi i pyłowygazowy-mi. Smog jest charakterystyczny dla obszarów silnie zurbanizowanych i uprzemysłowionych, na których występują sprzyjające warunki meteorologiczne.
Wyróżnia się dwa rodzaje smogu:
• Smog kwaśny (typu londyńskiego): powstaje na bazie SO2, który reagując z kropelkami wody w powietrzu utlenia się do aerozolu (kropelek) kwasu siarkowego. Zawarte w powietrzu cząsteczki pyłów i metali ciężkich stano-wią katalizatory zachodzących reakcji (w 1952 roku wystąpił smog zwany londyńskim, który był przyczyną śmierci około 4 700 ludzi i powodem wielu schorzeń dróg oddechowych).
• Smog utleniający-fotochemiczny (typu Los Angeles): powstaje na bazie ozonu, dwutlenku azotu i PAN (azotan nadtlenku acetylu) oraz emisji spalin samocho-dowych w warunkach intensywnego promieniowania słonecznego. Przy współ-udziale węglowodorów utlenianiu ulegają związki azotu, powstają przy tym sil-nie utleniające związki (np. nitroolefiny) z dużym udziałem ozonu.
1.4. Mechanizm zanieczyszczania atmosfery i losy zanieczyszczeń Większość zanieczyszczeń występujących w powietrzu atmosferycznym ma for-mę taką, w jakiej zostały wyemitowane z powierzchni Ziemi lub wody. Czynnikiem przenoszącym zanieczyszczenia jest powietrze. Wysokość na jaką
zanieczyszcze-173 Atmosfera
nia emitują zależy od takich parametrów jak wielkość cząstki, rodzaj emitera i jego kształt, wysokość emitera nad powierzchnią Ziemi, warunki klimatyczne regionu, częstość i intensywność burz, pionowe i poziome ruchy powietrza w kominach ter-micznych. Istotną rolę odgrywa również czynnik termiczny, gdyż cząsteczki „gorą-ce” poruszają się szybciej niż „zimne”.
Większość substancji skażających powietrze jest emitowana do wnętrza cien-kiej warstwy atmosfery (aerosfery), która styka się bezpośrednio z powierzchnią Ziemi. Ruch powietrza jest tutaj zazwyczaj turbulentny z uwagi na nierówności te-renu. Turbulencja (prędkość wiatru) wzrasta wraz z wysokością nad powierzchnią Ziemi. Jej przyczyną są ruchy mas powietrza. W wyniku pionowych ruchów powie-trza ulega ono adiabatycznemu sprężeniu, przy ruchu w dół i ogrzaniu, lub rozprę-żeniu przy ruchu w górę i oziębieniu. Jeśli w powietrzu znajduje się wystarczająca ilość wilgoci do zainicjowania procesu kondensacji, to wydziela się ciepło skrapla-nia i masa powietrza ochładza się wolniej. Średni adiabatyczny pionowy gradient temperatury mas wilgotnego powietrza wynosi około 6 K/km, przy czym może być niższy nad biegunami i wyższy w strefie tropikalnej. Adiabatyczny pionowy gradient temperatury mas powietrza suchego wynosi około 1 K na 100 m. Jeżeli temperatura podnoszącego się powietrza ulega zmianom według adiabatycznego pionowego gra-dientu temperatury uznaje się, że warunki fizyczne w powietrzu są stabilne. Stabilne warunki są także wtedy, gdy temperatura maleje wolniej niż wynika to z pionowego gradientu temperatury (Masters, 1991). Gdy temperatura podnoszącego się powie-trza maleje szybciej niż wynika to z pionowego adiabatycznego gradientu tempera-tury, warunki atmosferyczne stają się niestabilne i następuje gwałtowne mieszanie mas powietrza, połączone z rozcieńczaniem zawartych w nim zanieczyszczeń. I na odwrót – warunki stabilne powodują lokalne zagęszczanie zanieczyszczeń, czyli zwiększanie ich stężenia, co prowadzi do lokalnych skażeń środowiska.
W dolnych warstwach troposfery pozostają cząstki o rozmiarach powyżej 10 μm. Cząstki o rozmiarach poniżej 10 μm są wynoszone do stratosfery, zaś cząstki o rozmiarach poniżej 5 μm (aerozole i gazy) są wynoszone nawet do górnej war-stwy granicznej stratosfery (stratopauzy). Mezosfera jest tą warstwą, do której za-nieczyszczenia praktycznie nie docierają (Holdgate, 1979).
Zanieczyszczenia, które dostają się do stratosfery pozostają w niej długo, bo-wiem nie są one usuwane (wypłukiwane) przez opady atmosferyczne. Niektóre związki ulegają reakcjom fotochemicznym lub chemicznym w wyniku działania silnego promieniowania, które występuje powyżej warstwy ozonowej, czyli oko-ło 20 km nad powierzchnią Ziemi. Reakcje te mogą prowadzić do rozkładu tych związków, bądź do powstania substancji bardziej szkodliwych (np. O3, azotan ace-toksylu).
Bezpośredniemu (pierwotnemu) zanieczyszczeniu stratosfery sprzyjają wybu-chy i erupcje wulkanów, samoloty latające na dużych wysokościach, siła burz pia-skowych i pyłowych. Wybuchy wulkanów są źródłem różnych gazów, pary wodnej i CO2, a także H2, CO, N2, SO2, S2, Cl2, H2S, B(OH)3, NH3, CH4, chlorków, fluorków metali oraz popiołów wulkanicznych.
174 Ewa Jadwiga Lipińska
Transport zanieczyszczeń przez atmosferę na duże odległości jest konsekwen-cją abiotycznych czynników fizycznych, do których należą masowy ruch powietrza i dyfuzja. Duże wysokości przenoszą zanieczyszczenia na znaczne odległości przez cyrkulujące masy powietrza, które są różne dla różnych stref klimatycznych: pasa niskich ciśnień równikowych, zwrotnikowego pasa ciszy i frontu polarnego.
W wyniku pionowych i poziomych ruchów powietrza, zanieczyszczenia mogą oddziaływać szkodliwie w znacznej odległości od źródła emisji, prowadząc do ska-żeń transgranicznych i o znaczeniu globalnym (np. zakwaszenie gleb i wód, obumie-ranie drzewostanów). Dlatego istotną role odgrywa stężenie, do którego substancja szkodliwa ulegnie rozcieńczeniu po emisji. Stopień rozcieńczenia zależy od czynni-ków określających turbulencje, czyli od prędkości wiatru, nierówności terenowych, promieniowania słonecznego, wilgoci w powietrzu, stanu skupienia zanieczyszcze-nia. Rozproszeniu zanieczyszczeń sprzyja suche powietrze atmosferyczne i silne boczne wiatry oraz wysoka temperatura powietrza. Wysokie kominy wpływają na wynoszenie zanieczyszczeń do wyższych warstw atmosfery i ich rozproszenie (prze-mieszczenie z rozrzedzeniem) na znaczne odległości – o znaczeniu globalnym.
Istotną rolę w lokalnym zanieczyszczeniu środowiska pełnią inwersje, prądy występujące na dużych wysokościach. Wyróżnia się:
1. Inwersje promieniowania: gdy temperatura powietrza nad gruntem jest niższa