Zdroje znečištění ovzduší Mgr. Lukáš Dolák, Ph.D. Jaro 2020 Zdroje znečištění • Atmosféra obsahuje za všech okolností znečišťující látky • Biogenní (přirozené) znečištění – půdní a prachové částice, krystalky mořských solí, vulkanický popel aj. • Antropogenní znečištění – nepůvodní, ohrožuje zdraví lidí, stabilitu ekosystémů, poškozuje majetek – ne/přímý výsledek lidské činnosti Hlavní antropogenní zdroje znečištění atmosféry • Spalování fosilních paliv, jejich zpracování a přeprava • Barevná metalurgie (výroba Al, Cu, Pb, Zn) • Slévárny, železárny, ocelárny, papírny • Výroba cementu a průmyslových hnojiv • Doprava Zdroj: ESA, 2019 koncentrace NO2 v období duben 2018–březen 2019 Klasifikace znečišťujících látek • Dle skupenství: – pevné, kapalné, plynné • Dle chemického složení: – sloučeniny síry, dusíku, uhlíku, halogenové sloučeniny, oxidanty… • Dle času vzniku: – primární komponenty: emitování a setrvání látky ve stejné podobě – sekundární komponenty: vznik v atmosféře Hlavní znečišťující látky • Aerosol • Organické sloučeniny a těkavé organické látky (VOCs) • Semivolatilní, persistentní organické polutanty (POPs) • Oxidy dusíku (NOx) • Oxidy uhlíku (COx) • Oxid siřičitý (SO2) • Troposférický ozon (O3) Aerosol • Pojem užívaný od r. 1920 • Atmosférický aerosol: soubor tuhých, kapalných nebo směsných částic o velikosti v rozsahu 1nm–100 μm setrvávající v atmosféře minimálně po dobu umožňující jejich detekci • Přirozená složka atmosféry (vliv na tvorbu srážek, radiační bilanci) • Zdroj: doprava, zemědělství, zemní práce, výroba stavebních hmot (např. křemitý, azbestový prach) • Dopady: nemoci plic, vyšší úmrtnost kojenců, kondenzační jádra Formy aerosolu • Velikost částic: stěžejní parametr – průměrná velikost: 3 μm (okem rozlišitelná velikost > 50 μm) • Formy aerosolu: – mrak/oblak: hustota koncentrace aerosolu o p = 50 μm > 1 % hustoty vzduchu (1,205 kg.m3), zřetelné hranice formace – mlha: kapalný aerosol vzniklý kondenzací vodní páry s kulovým tvarem částic (p = 0,1–100 μm) – opar: kapalný aerosol (p = 0,1–100 μm) snižující viditelnost Formy aerosolu • Formy aerosolu: – dým: aerosol pevných částic (p < 0,05 μm) primárně vzniklý kondenzací par při vysokoteplotních procesech – kouř: aerosol pevných a kapalných částic (p < 0,05 μm) primárně vzniklý kondenzací par při nedokonalém spalování – prach: hrubé částice o p > 0,6 μm vzniklé mechanickým působením na pevnou hmotu – smog: obecné označení viditelného znečištění atmosféry především v městských oblastech Dělení aerosolu • Přirozený/antropogenní atmosférický aerosol • Primární – částice aerosolu emitovány do ovzduší přímo ze zdroje • Sekundární – výsledek chemických reakcí v ovzduší • Bioaerosol – životaschopné organismy (viry, bakterie, houby) a jejich části, produkty živočichů a rostlin (pyl, spory) Dělení aerosolu Velikostní rozsahy, skupiny a definice atmosférického aerosolu vzhledem k velikosti částice Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Aerosol • Základní parametry ovlivňující chování aerosolu v ovzduší: – velikost, tvar a hustota částic – přímý vliv parametrů na pohyb částic, jejich chování a vlastnosti • Měřené charakteristiky aerosolu: – rychlost difúze, pádová rychlost, rozptyl světla … – ekvivalentní průměr: průměr dané vlastnosti/chování aerosolové částice ke kalibrační částici Aerosol Ekvivalentní průměr částice v závislosti na měření jejího chování nebo vlastností Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Velikostní distribuce částic aerosolu • Ekvivalentní aerodynamický průměr – charakteristika pouze jednotlivých částic • Atmosférický aerosol souborem mnoha částic (102–108/cm3) • Velikostní distribuce částic aerosolu – stanovení počtu/hmotnosti částic dle velikostních skupin • Aerodynamický průměr částice o hmotnosti – charakteristika určující nejčastější výskyt částic o konkrétní hmotnosti v určené velikostní skupině Velikostní distribuce částic aerosolu Velikostní distribuce hmotnosti aerosolu (monomodální) Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Zdroje a propady atmosférického aerosolu • Tři typy modu částic: – částice nukleačního modu (jemný aerosol): • vznik vysokoteplotními (hoření, tavení rud, svařování) a fotochemickými procesy (kulovitý tvar částic) • koagulace (srážení) částic a následná koagulace s akumulačními částicemi • vysoká reaktivita částic, doba setrvání: vteřiny–10ky min. – částice akumulačního modu (jemný aerosol): • převážná část povrchu/hmotnosti atmosférického aerosolu • vznik kondenzací plynů/vody, chemickou reakcí, koagulací s nukleačními částicemi • doba setrvání dny–týdny (nejpočetnější skupina části v troposféře) Zdroje a propady atmosférického aerosolu • Tři typy modu částic: – mod hrubých částic (p ~ 10 μm): • vznik mechanickým působením na pevnou hmotu – prach vzniklý větrem, dopravní a stavební aktivitou, emise ze spalování uhlí a zpracování rud • významný podíl na hmotnosti aerosolu v atmosféře • doba setrvání: hodiny–2 dny (vrstva aerosolu ca. 1 km) • závislost doby setrvání na rychlosti sedimentace a turbulentních proudů Zdroje a propady atmosférického aerosolu Idealizované schéma distribuce povrchu částic atmosférického aerosolu, jejich formy a hlavní procesy jejich propadu Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Zdroje a propady atmosférického aerosolu Globální odhadované emisní toky jemného a hrubého aerosolu v 90. letech 20. stol. (Baron a Willeke, 2001) Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Chemické složení aerosolu • Jemný aerosol – sulfáty, nitráty • Hrubý aerosol – bioaerosol, materiál zemské kúry (Si, Fe, Ca, Mg, Al), mořské soli, H2O • Městský aerosol – komplikované chemické složení – trimodální Zdroje a propady atmosférického aerosolu • Procesy emitující aerosol = procesy odstraňující aerosol (t > 1 rok) • Washout/vymývání aerosolu - nárůst účinnosti spojen s: – vyšší intenzitou deště – délkou deště – růstem pádové rychlosti dešťové kapky – poklesem průměru dešťové kapky Vertikální distribuce aerosolu • Zesilování/zeslabování skleníkového jevu aerosolem – vliv chemického složení, velikosti a nadmořské výšky částic • Hmotnost aerosolu klesá exponenciálně s rostoucí výškou Vertikální distribuce aerosolu Vertikální distribuce hmotnosti aerosolu v troposféře Zdroj: Braniš a Hůnová, 2009 Vertikální distribuce aerosolu • Vertikální distribuce počtu částic aerosolu – odlišný počet částic v odlišných nadmořských výškách nad různými povrchy – zemský povrch: pokles počtu částic s rostoucí výškou (vliv gravitace) – povrch oceánu: pokles i nárůst počtu částic s rostoucí výškou s ohledem na velikost částic Vertikální distribuce aerosolu • Proces nukleace – vznik nových částic v troposféře – podmínky: nízká vlhkost (< 50 %), silný sluneční svit, nízká koncentrace částic akumulačního modu – nejčastější průběh: poledne na jaře a v létě po delším srážkovém období Zdroj: Vojtěch, 2006 Vertikální distribuce aerosolu • Jungeho vrstva – trvale zvýšená koncentrace aerosolu ve stratosféře (18–30 km) – částice sulfátových aniontů (0,1–1 μm) o koncentraci 0,1 cm3 vzniklé fotooxidací nebo sopečnými erupcemi – růst zemského albeda (ochlazující efekt), perleťová oblaka Zdroj: Jannis Haggels, 2019 Negativní dopady aerosolu • Zvýšené podráždění sliznic u lidí (dýchací a zažívací trakt) • Sedimentace jemného aerosolu v plicích (1–2 μm x 0,5 μm vydýcháván zpět) • Ukládání aerosolů do tkání, uzlin a transport krví • Narušení biochemie buněk Organické látky v atmosféře • Všudypřítomnost organických látek a jejich schopnost dálkového přenosu od místa emise • Zdroje přírodní a antropogenní (převaha) • Emise přímá x nepřímá (přechod přes další rezervoáry – transformace a vznik sekundárního znečištění) • Schopnost akumulace v abiotickém prostředí i živých organismech – možné negativní projevy • Environmentálně nebezpečné chemické látky (nebezpečí látek pro ŽP i v malých koncentracích) Organické látky v atmosféře • Nejvíce problematické vlastnosti organických látek: – toxicita – persistence – schopnost kumulace a bioakumulace – schopnost dálkového transportu – produkce v určitém množství aj. Těkavé organické látky (VOCs) • Volatile Organic Compounds (VOCs) • Významná skupina polutantů nacházející se v dolní troposféře v oblastech velkých měst a průmyslových center • Stovky sloučenin s nejednoznačným názvoslovím (uhlovodíky – HCs, reaktivní organické plyny (ROGs aj.) • Definice dle Evropské hospodářské komise OSN: – VOCs jsou všechny organické sloučeniny antropogenního původu, jiné než metan, které jsou schopné vytvářet fotochemické oxidanty reakcí s NOx, v přítomnosti slunečního záření Těkavé organické látky (VOCs) • Důvody k nezařazení metanu mezi VOCs: – přírodní původ – odlišné chemické vlastnosti – odlišný průběh troposférických reakcí – nízká fotochemická oxidační aktivita – monitoring v rámci skleníkových plynů • avšak dle fyzikálních vlastností spadá mezi VOCs Druhy a charakteristika VOCs • Uhlovodíky – alkany, alkeny, aromáty • Deriváty uhlovodíků (Cl, O, N, S, P) – alkoholy, halogenované uhlovodíky, étery, aldehydy, ketony, kyseliny… • Společná charakteristika VOCs: – snadná atmosférická reakce s NOx (noc), OH (den) a O3 (den i noc) – délka setrvání v atmosféře < 15 min až > 10 dnů Zdroje VOCs • Biogenní zdroje: – emise z vegetace a volně žijících živočichů – přírodní lesní požáry – anaerobní procesy v močálech a bažinách • Antropogenní zdroje: – výfukové plyny dopravních prostředků – evaporace benzinových par – skladování a distribuce benzinu a zemního plynu – petrochemický, chemický a potravinářský průmysl – spalování fosilních a biogenních paliv – skládky odpadů – zemědělství – materiály z vnitřního prostředí budov (koberce, podlahové krytiny, lepidla barvy …) Zdroj: foobot.oi, 2019 Zdroje VOCs Zdroj: ČHMÚ, 2013 Negativní dopady VOCs • Přímý vliv na lidské zdraví: – zápach, narkotické účinky, toxicita, karcinogenita – benzen a 1,3 butadien: možný faktor vzniku leukémie – formaldehyd: potencionální nosní karcinogen – polycyklické aromatické uhlovodíky: možný faktor vzniku rakoviny plic • Nepřímý vliv na lidské zdraví: – podíl na vzniku fotochemického smogu Negativní dopady VOCs Zdroj: airthings.com, 2020 Negativní účinky VOCs v atmosféře • Poškozování stratosférického O3 • Podíl na tvorbě fotochemického smogu a troposférického O3 • Příspěvek ke globálnímu oteplování – přímý: radiační plyny (CH4, freony) – nepřímý: vznik sekundárních skleníkových plynů (troposférický O3) • Oslabování ozónové vrstvy (CFCs – životnost 60–100 let) Persistentní organické polutanty (POPs) • Skupina organických sloučenin vyznačující se odolností vůči různým degradačním procesům, malou rozpustností ve vodě, tendencí k bioakumulaci a schopností globálního atmosférického transportu • Celosvětová všudypřítomnost (přenos atmosférickými a oceánskými proudy a řekami) • Systematický přesun do polárních oblastí (převládající globální proudění, schopnost ke znovu-vypařování) • Častá sedimentace POPs do oceánů, moří a půdy Zdroje POPs • Chemické produkty (pesticidy, chlorované bifenyly – PCBs aj.) vstupující do ovzduší během jejich výroby nebo aplikace • Vedlejší produkty výrobních procesů • Vedlejší produkty neúplného spalování • Příklady: – pesticidy (DDT), dioxiny, bioakumulativní a toxické látky (PBTs), polychlorované bifenyly (PCB) Vstupy a propady POPs do atmosféry • Možnosti vstupu POPs: – přímé: rozprašování, průmyslové emise, spalovací procesy, průmyslové havárie, technologické úniky, požáry – nepřímé: vypařování (postřiky), větrná eroze, vazba na jemný aerosol (p < μm) • Možnosti propadu POPs: – mokrá a suchá depozice, podoblačné vymývání (washout) POPs • Atmosféra hlavním prostorem pro transport POPs – transport vertikální i horizontální směr (převládající) • Akumulace POPs v oceánech: 1000–10 000 x vyšší koncentrace než v atmosféře • Půda: hlavní zdroj POPs pro ŽP • Akumulace POPs v ulicích měst (součástí splachu) • Sezónní variabilita koncentrací: max. zima, min. léto Negativní dopady POPs • Bioakumulace (schopnost rostlin přijímat některé POPs) – pastva kontaminovaných rostlin dobytkem a usazování POPs v tukových tkáních a mléčném tuku – konzumace lidmi • Kontaminace půdy • Šíření bioakumulativních a toxických látek (PBTs) mezi 30–60 ° s.š. – rozvoj použití v 1. pol. 20. stol. – 1950´s–60´s: nárůst velkoplošného použití v Evropě a SA – 1960´–1970´s: nárůst koncentrace PBTs v potravních řetězcích – 1980´s–1990´s: zákaz výroby PBTs a redukce emisí v Evropě a SA – současnost: mírný nárůst koncentrací následkem vytěkání PBTs z půdy a vodních ploch Oxidy dusíku (NOx) • NO, N2O, NO2 • Zdroj: spalování fosilních paliv, doprava, výroba plastů • V současné době rostoucí koncentrace • Dopady: skleníkové plyny, kyselé deště, narušení ozónové vrstvy, narušení okysličení krve Oxidy dusíku (NOx) Zdroj: ČHMÚ, 2016 Oxidy uhlíku (CO, CO2) • Zdroj: – CO2: spalování fosilních paliv – CO : doprava, nedokonalé spalování, stepní požáry, koksárenství • CO silně toxický i při nízkých koncentracích • Dopady: – CO2: skleníkový plyn, kardiovaskulární a nervové problémy – CO: bolest hlavy, malátnost, ztráta orientace, poruchy zraku, vazba na hemoglobin (1 % obsah CO = 95 % vazby na hemoglobin, smrt při 75 %), kardiovaskulární problémy Oxid siřičitý (SO2) • Zdroj: spalování fosilních paliv s vysokým obsahem S (hnědé uhlí), průmyslová výroba • V současné době klesající koncentrace v ČR (odsíření elektráren po r. 1990) • Dopady: – kyselé deště (koroze železných konstrukcí, omítek, změna pH vody), – poškození vegetace (vstup SO2 do rostliny v rámci fotosyntézy/asimilační jed – narušení průduchů, rozklad pigmentů = nekróza na listech) Troposférický ozon (O3) • Zdroj: fotolýza NO2 v dolní troposféře 𝑁𝑂2 + ℎ𝑣 (𝜆 < 420 𝑛𝑚) → 𝑁𝑂2 + 𝑂(3 𝑃) 𝑂(3 𝑃) + 𝑂2 → 𝑂3 • Dopady: – negativní vliv na lidské zdraví a komfort (dráždivé účinky na sliznice očí a dýchacích cest, alergie) – poškozování materiálů („praskání“ gumy) – toxické působení na vegetaci (zpomalení růstu rostlin a vývinu kořenového systému) Literatura • Braniš, M., Hůnová, I. (2009): Atmosféra a klima: aktuální otázky ochrany ovzduší. Praha, Karolinum, 351 s. Děkuji za pozornost