Rodzaje zanieczyszczeń powietrza i ich źródła
Powietrze jest mieszaniną gazów, z których składa się atmosfera ziemska. Głównymi jego składnikami są; azot stanowiący ok. 78% i tlen ok. 21%. Pozostałą część stanowią inne gazy: argon, dwutlenek węgla oraz w niewielkich ilościach; neon, hel, krypton, ksenon i wodór. Ponadto powietrze zawiera różną, zależną od warunków otoczenia ilość pary wodnej.
Procentowa zawartość głównych składników powietrza nie ulega zmianie od poziomu morza do wysokości 80 km nad powierzchnią Ziemi; wyjątek stanowią: para wodna i aerozole atmosferyczne, występujące głównie w warstwach powietrza znajdujących się bliżej powierzchni Ziemi. Połowa zawartej w atmosferze pary wodnej występuje poniżej wys. 1,5 km oraz ozon, który koncentruje się na wys. 20-30 km. Powyżej wys. 80 km powietrze staje się bardziej rozrzedzone, a jego skład ulega zmianie w wyniku procesów zachodzących pod wpływem krótkofalowego promieniowania słonecznego i promieniowania kosmicznego (dysocjacji cząsteczek, jonizacji cząsteczek i atomów oraz reakcji fotochemicznych).
Powietrze wywiera ciśnienie na powierzchnię Ziemi i przedmioty w nim się znajdujące (ciśnienie atmosferyczne). Stanowi ośrodek, w którym przebiegają najważniejsze procesy życiowe organizmów: procesy utleniania i spalania. Jest surowcem dla przemysłu azotowego, a także stosowane jako środek przenoszący ciepło lub masę w procesach ogrzewania, chłodzenia, suszenia, nawilżania; sprężone powietrze jest używane do poruszania maszyn pneumatycznych.
Zanieczyszczenia powietrza stanowią gazy, ciecze i ciała stałe obecne w powietrzu, ale nie będące jego naturalnymi składnikami, lub też substancje występujące w ilościach wyraźnie zwiększonych w porównaniu z naturalnym składem powietrza.
CHARAKTERYSTYKA POSZCZEGÓLNYCH ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH
Związki siarki. Zanieczyszczenie atmosfery powodują gazowe związki siarki - SO2, SO3, H2S, kwas siarkowy H2SO4 i siarczany różnych metali.
Dwutlenek siarki (SO2) jest bezbarwnym, silnie toksycznym gazem o duszącym zapachu. Powstaje m. in. w wyniku spalania zanieczyszczonych siarką paliw stałych i płynnych (np. węgla, ropy naftowej) w silnikach spalinowych, w elektrociepłowniach, elektrowniach cieplnych. Największy udział w emisji SO2 ma przemysł paliwowo-energetyczny.
Związki azotu. W atmosferze występuje wiele związków azotu: tlenek azotu (NO), dwutlenek azotu (NO2), podtlenek azotu (N2O), nadtlenek azotu (NO3), trójtlenek azotu (N2O3, pięciotlenek azotu (N2O5), amoniak (NH3) oraz kwasy: azotawy (HNO2 i azotowy (HNO3). Wiele z nich, głównie tlenki azotu, to naturalne składniki atmosfery, tworzące się w efekcie np. wybuchów wulkanów. W niewielkich ilościach nie są substancjami toksycznymi, jednak ich nadmiar powstający podczas procesów produkcyjnych (obróbka wysokotermiczna, komory paleniskowe elektrowni) oraz w silnikach spalinowych powoduje, że stają się one niebezpiecznymi zanieczyszczeniami atmosfery. W szczególności groźne są bezbarwny i bezwonny tlenek azotu oraz brunatny o duszącej woni dwutlenek azotu. Mogą się one kolejno utleniać do pięciotlenku azotu, który w obecności pary wodnej tworzy kwas azotowy - HNO3, jeden ze składników kwaśnych deszczów.
Tlenek węgla powstaje w wyniku niezupełnego spalania węgla lub jego związków.
Głównym źródłem tego gazu są:
- spaliny z silników pojazdów mechanicznych, w szczególności benzynowych (70-80% ogólnej emisji CO);
- przemysł metalurgiczny, elektromaszynowy i materiałów budowlanych;
- elektrociepłownie, elektrownie cieplne;
- koksownie, gazownie;
- paleniska domowe.
Tlenek węgla jest gazem silnie toksycznym. Jest szczególnie niebezpieczny, ponieważ jest to gaz bez smaku, zapachu, barwy, a więc zmysły ludzkie nie ostrzegają przed nim.
Dwutlenek węgla powstaje podczas wszelkich procesów spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych, a także w procesie oddychania organizmów żywych. Dwutlenek węgla w atmosferze nie stanowi bezpośredniej groźby pod warunkiem, że nie nastąpi naruszenie równowagi biologicznej, spowodowane nadmierną jego emisją do atmosfery. Dwutlenek węgla - oprócz roli naturalnej izolacji termicznej - spełnia w przyrodzie również niezwykle ważną rolę jako materiał do budowy substancji organicznej roślin. Jest on podstawowym źródłem węgla pobieranego przez rośliny z powietrza w procesie fotosyntezy.
ŻRÓDŁA ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA
a) źródła naturalne, do których należą:
- wulkany (ok. 450 czynnych), z których wydobywają się m.in. popioły wulkaniczne i gazy (CO2 , SO2, H2S - siarkowodór i in.);
- pożary lasów, sawann i stepów (emisja CO2, CO i pyłu);
- bagna wydzielające m.in. CH4 (metan), CO2, H2S, NH3;
- gleby i skały ulegające erozji, burze piaskowe (globalnie do 700 mln. t pyłów/rok );
- tereny zielone, z których pochodzą pyłki roślinne.
b) źródła antropogeniczne (powstające w wyniku działalności człowieka) można podzielić na 4 grupy:
- energetyczne - spalanie paliw;
- przemysłowe - procesy technologiczne w zakładach chemicznych, rafineriach, hutach, kopalniach i cementowniach;
- komunikacyjne - głównie transport samochodowy, ale także kołowy, wodny i lotniczy;
- komunalne - gospodarstwa domowe oraz gromadzenie i utylizacja odpadów i ścieków (np. wysypiska, oczyszczalnie ścieków).
Zanieczyszczenia powietrza ulegają rozprzestrzenianiu, którego intensywność zależy m.in. od warunków meteorologicznych i terenowych. Następnie zachodzi proces samooczyszczania w wyniku osadzania się zanieczyszczeń (sorpcja) lub ich wymywania przez wody atmosferyczne. Wszystkie składniki powietrza w wyniku nieustannego ruchu ulegają ciągłemu mieszaniu; przy niekorzystnym ukształtowaniu terenu i bezwietrznej pogodzie, na niewielkiej przestrzeni (miasta, okręgi przemysłowe) gromadzi się duża ilość zanieczyszczeń - wzrost ich stężenia powoduje niekiedy powstanie gęstej mgły zwanej - smogiem.
Występujące w atmosferze gazy absorbujące promieniowanie podczerwone odbite od powierzchni Ziemi - para wodna, dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu oraz freony, zwane gazami cieplarnianymi lub szklarniowymi, powodują tzw. efekt cieplarniany.
Gazy tzw. kwaśne np.; dwutlenek siarki, tlenki azotu wywołują zakwaszenie wody w atmosferze (kwaśne opady).
Związki reagujące z ozonem, tj. freony i tlenki azotu, są przyczyną ubytku ozonu w ozonosferze tworząc tzw. dziurę ozonową.
Skład powietrza w pomieszczeniach zamkniętych zależy głównie od: jakości powietrza atmosferycznego w rejonie, w którym stoi budynek, rodzaju i ilości zanieczyszczeń emitowanych w procesach zachodzących w pomieszczeniu oraz rodzaju i efektywności systemu wentylacji pomieszczenia.
Źródłami zanieczyszczeń są:
1) procesy utleniania: bezpośrednie spalanie paliw (gotowanie posiłków, ogrzewanie wody), palenie tytoniu, procesy oddychania;
2) materiały budowlane lub wykończeniowe.
Najbardziej szkodliwe związki chemiczne stosowane w budownictwie to: aldehyd mrówkowy (formaldehyd), fenole, toluen, ksylen i styren, znajdujące się głównie w lepikach, klejach, lakierach i materiałach impregnacyjnych; toksyczny formaldehyd (szczególnie niebezpieczny dla dzieci i młodzieży) jest emitowany z wełny mineralnej oraz płyt paździerzowych, do produkcji których są stosowane kleje i lakiery zawierające ten składnik.
Człowiek sam w sobie jest także źródłem zanieczyszczeń - poza dwutlenkiem węgla w powietrzu wydychanym, wydziela 150 różnych substancji lotnych. Przyczyniają się do tego także zwierzęta domowe. Duża część z nich mieszka pod jednym dachem z ludźmi, będąc dodatkowym źródłem czynników alergicznych . Są nimi zwłaszcza sierść i złuszczony naskórek oraz włosy a także gazy trawienne - siarkowodór, amoniak, metan - tym obficiej wydzielane przez zwierzę - im gorszy rodzaj pokarmu jest stosowany.
Na złą jakość powietrza ma wpływ również niski poziom wilgotności. Wskazana wilgotność to 50-65%. Często, zwłaszcza zimą zmniejsza się ona wyraźnie na skutek działania centralnego ogrzewania. Podrażnia to delikatną śluzówkę dróg oddechowych powodując jej wysychanie i większą wrażliwość na drobnoustroje i alergeny szkodliwe.
Także kurz domowy który w 80% stanowią martwe komórki ze złuszczającego się stale naskórka człowieka i zwierząt domowych jest pokarmem roztoczy. Roztocza to mikroskopijne pajęczaki, które gnieżdżą się w dywanach, fotelach, zasłonach, łóżkach oraz unoszą się w powietrzu. Uważa się, że roztocza a dokładniej proteiny wydalane przez nie są jednym z najpoważniejszych źródeł czynników wywołujących alergię. Sześcioletnia poduszka może zawierać żywe i martwe roztocza w ilości 10% swojej wagi, będąc przyczyną porannego kaszlu u osoby ją używającej.
Tak więc powodami zanieczyszczenia powietrza są: hermetyczne uszczelnianie budynków, tworzywa sztuczne wyposażenia, słaba wentylacja, wydzieliny biologiczne człowieka i zwierząt z nim mieszkających pod jednym dachem. W latach osiemdziesiątych w USA, Kanadzie, Europie, gdzie szeroko stosowano nowe technologie stwierdzono wiele nowych objawów chorobowych. Nazwano je "zespołem chorego budynku". Objawy tego zespołu to alergie, astma, podrażnienie oczu, nosa, gardła, zapalenie zatok i oskrzeli, trudności w oddychaniu, objawy chronicznego zmęczenia, bóle głowy, zaburzenia snu i inne zaburzenia systemu nerwowego jak depresje czy stany lękowe.
ZJAWISKA WPŁYWAJĄCE NA STAN POWIETRZA
Smog [ang.]- utrzymujące się nad terenami wielkich miast i okręgów przemysłowych zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego.
Smog tworzą zanieczyszczenia pierwotne (pyły, gazy i pary emitowane przez zakłady przemysłowe, energetyczne, silniki spalinowe pojazdów mech. itp.) i ich produkty fotochemiczne i chemiczne przemian zachodzących w warunkach inwersji temperatury, podczas braku ruchów powietrza (przy bezwietrznej pogodzie).
Efekt cieplarniany - to wzrost średniej temperatury przy powierzchni Ziemi wywołany zmianą bilansu energetycznego promieniowania słonecznego pochłanianego przez Ziemię i promieniowania wysyłanego przez Ziemię.
Gazy i pyły zanieczyszczające atmosferę zatrzymują część promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi, w związku z czym temperatura tej powierzchni wzrasta. W ostatnich dwóch stuleciach człowiek wywarł istotny wpływ na skład atmosfery. Przede wszystkim doszło do zwiększenia o około 25% ogólnej zawartości dwutlenku węgla (CO2). Stało się to wskutek uprzemysłowienia i zurbanizowania oraz ogromnego rozwoju motoryzacji (transport: kołowy, morski, lotniczy).
Najważniejszym gazem atmosferycznym przyczyniającym się do powstawania efektu cieplarnianego jest dwutlenek węgla, a także metan, tlenek azotu, ozon i freony.
Dziura ozonowa. Wokół Ziemi rozciąga się warstwa ozonu (ozonosfera) pochłaniająca część promieniowania ultrafioletowego Słońca, bardzo szkodliwego dla organizmów żywych. Ozon to trójatomowy tlen O3 o charakterystycznym "świeżym" zapachu, który powstaje podczas wyładowań atmosferycznych. Ozon jest gazem nietrwałym. Działa silnie utleniająco (bakteriobójczo), co znalazło zastosowanie do dezynfekcji powietrza i wody. W większych ilościach działa szkodliwie na organizm ludzki. Ozon występuje w atmosferze przy powierzchni Ziemi, co jest zjawiskiem negatywnym, oraz w górnych warstwach stratosfery (50 km nad Ziemią), co jest zjawiskiem pozytywnym. Ozon w stratosferze odgrywa rolę pozytywną. Chroni ludzi, zwierzęta i rośliny przed promieniowaniem ultrafioletowym docierającym na Ziemię ze Słońca.
Przez ostatnie dziesięciolecie człowiek stale przyczynia się do degradowania warstwy ozonowej. Spadkowi grubości warstwy ozonowej winny jest chlor. Chlor rozkłada ozon do zwykłych, dwuatomowych cząsteczek tlenu. Część chloru, docierającego do górnych warstw atmosfery, pochodzi z gazów wulkanicznych. Głównym źródłem chloru niszczącego warstwę ozonową są freony - związki organiczne, zawierające chlor i fluor). Do niedawna były one powszechnie stosowane do wyrobu farb, kosmetyków, lakierów i innych produktów w rozpylaczach (aerozolach), sprężonymi gazami dzięki którym tworzyła się mgiełka toaletowa. Były to właśnie freony. Używa się ich również w instalacjach chłodniczych, m.in. w lodówkach i zamrażarkach, a także do wyrobu pianek poliuretanowych, np. styropianu. Freony są niepalne i w normalnych warunkach nieaktywne chemicznie. Jednak wysoko w atmosferze rozkładają się pod wpływem ultrafioletu, wydzielając chlor.
W następstwie spadku zawartości ozonu powstaje dziura ozonowa, która jest zjawiskiem groźnym dla życia na Ziemi. Największa dziura ozonowa rozciąga się nad Antarktydą. Niepokojący spadek zawartości ozonu w atmosferze zaobserwowano także na innych szerokościach geograficznych, m.in. nad Polską.
Dziura ozonowa i procesy powodujące jej powstawanie.
Kwaśne deszcze, deszcze zawierają w kroplach wody dwutlenek siarki, tlenki azotu oraz ich produkty reakcji w atmosferze: rozcieńczone roztwory kwasów siarki, głównie kwasu siarkawego oraz najbardziej szkodliwego kwasu siarkowego a także kwasu azotowego. Powstają nad obszarami, gdzie atmosfera jest zanieczyszczana długotrwałą emisją dwutlenku siarki i tlenków azotu (ze źródeł naturalnych, jak czynne wulkany, albo sztucznych, jak spaliny z dużych elektrowni i elektrociepłowni zasilanych zasiarczonym - tzn. zawierającym siarkę i jej związki - paliwem, zazwyczaj węglem kamiennym lub brunatnym).
Kwaśne deszcze działają niszcząco na florę i faunę, są przyczyną wielu chorób układu oddechowego, znacznie przyspieszają korozję konstrukcji metalowych (np. elementów budynków, samochodów) oraz zabytków.