Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego i skutki środowiskowe

1. Rodzaje zanieczyszczeń powietrza (gazy, pyły, aerozole, zanieczyszczenia punktowe, powierzchniowe, liniowe

2. Naturalne i antropogeniczne źródła zanieczyszczeń powietrza (procesy w przyrodzie, procesy spalania, przemysł chemiczny, rolnictwo, składowiska śmieci i popiołów, pyły z cementowni, motoryzacja)

3. Wpływ z. p. na zdrowie człowieka i zwierząt (grupy z. p. wg oddziaływań na organizmy żywe)

4. Szata roślinna (zaburzenia procesów fizjologicznych po wpływem oddziaływania pyłów, gazów, aerozoli, wrażliwość gatunków)

5. Wpływ z. p. na gleby i wody (zakwaszanie, eutrofizacja, metale ciężkie)

6. Wpływ z. p. na budowle i urządzenia metalowe ( korozja)

7. Efekt „cieplarniany” i „dziura ozonowa” (szkodliwość UV, struktura gazów niszczących warstwę ozonową, ozon atmosferyczny, a troposferyczny, udział poszczególnych gazów w efekcie cieplarnianym, prognoza skutków)

8. Szacunek strat z tytułu zanieczyszczeń powietrza w Europie i Polsce

Główne zanieczyszczenia powietrza:

gazowe: związki siarki (SO2, SO3, H2S, H2SO4), związki azotu (NO, NO2, N20, NH3), związki węgla (CO, CO2), węglowodory (CH4, WWA, PCB0, freony, fluor

pyły - cząstki 0,001 - 100 μm: szybko opadające (35-100 μm), utrzymujące się w powietrzu

(0,1 - 35 μm), nie opadające - elektryzują się ujemnie (< 0,1 μm) najbardziej niebezpieczne

(<5 μm) * metale ciężkie

Źródła zanieczyszczeń atmosfery:

naturalne: - wybuchy wulkanów - pożary lasów - burze piaskowe - huragany - rozkład materii organicznej, np. bagna wybuch wulkanu Krakatau w 1883r. - 250mln pyłów do atmosfery, które krążyły kilka lat pożary lasów - jezioro Michigan 1871r.

sztuczne: - elektrownie i elektrociepłownie - zakłady przemysłowe: * hutnictwo * przemysł wydobywczy * przemysł materiałów budowlanych * przemysł spożywczy * przemysł chemiczny * przemysł jądrowy - pojazdy mechaniczne - źródła rozproszone: *sektor komunalno bytowy * gospodarstwa rolne - zagraniczne obiekty przemysłowe

Zanieczyszczenia pyłowe:

- podział ze względu na zagrożenie

pyły toksyczne - powodują zatrucie organizmu

• pyły metalurgiczne (Hg, Cd, As, Zn, Pb)

• pyły radioaktywne

• pyły azbestowe

pyły szkodliwe - działanie pylicotwórcze lub uczulające, rozpuszczają się w płynach ustrojowych i rozkładają substancje fizjologiczne, zmniejszenie odporności organizmu

• pyły zawierające SiO₂ (kwarc, chalcedon, opal)

• pyły drewna, bawełny

• pyły glinkokrzemowe

pyły neutralne - działanie drażniące, są to substancje nierozpuszczalne - blokowanie powierzchni ochronnej płuc, zmniejszenie powierzchni oddechowej - niedotlenienie organizmu, przewlekłe nieżyty oskrzeli

• pyły żelaza

• pyły wapieni, gipsu i węgla

Działanie pyłów zależy od średnicy cząstek, te poniżej 5μm łatwo wnikają do organizmów:

• ludzi i zwierząt:

- osiadają na pęcherzykach płucnych i utrudniają wymianę gaową

- podrażnienie naskórka i śluzówki

- zapalenie górnych dróg oddechowych

- choroby oczu, choroby alergiczne, astma

- ciężkie schorzenia - pylica płuc, nowotwory płuc, gardła i krtani (obecność w pyłach metali ciężkich i węglowodorów)

- zachorowania zwierząt gospodarskich i leśnych

• roślin

- zatykanie aparatów szparkowych, niszczenie komórek

Charakterystyka wybranych zanieczyszczeń gazowych powietrza

Dwutlenek siarki

silnie toksyczny gaz - duszący zapach

powstawanie gł. źródło

- spalanie zanieczyszczonych S paliw stałych i płynnych (1t węgla kamiennego zawiera 0,6-6,0% siarki, średnio - 2,7%), elektrownia 1000 MW 140 000 t S (SO₂)

główny składnik kwaśnych deszczy pH poniżej 4,5 (odczyn czystego deszczu 5,1-6,0)

zakwaszanie gleb i wód

korozja budowli

(gips - dwa razy większa objętość - destrukcja)

korozja metali, niszczy skórę i papier

smog kwaśny (typu londyńskiego)

Związki węgla

• tlenek węgla - produkt niecałkowitego spalania węgla lub jego związków

główna emisja - pojazdy spalinowe (zwalnianie i postój) - 70-80% całkowitej emisji

inne źródła - elektrociepłownie, koksownie, paleniska domowe

działanie bezpośrednie - bez zapachu i smaku, przy stężeniu >60% śmierć po kilku oddechach, działanie toksyczne, wiązanie z Hb CO - 250-300 razy większe powinowactwo do Hb niż tlenu

dłuższe działanie małych dawek - wydłużenie czasu reakcji na bodźce, przy stężeniu CO-Hb>5% - zmiany w czynnościach serca i płuc (palacz 40 papierosów dziennie>6% CO-Hb; przebywający w dymie ok. 2,3%)

samooczyszczanie powietrza z CO

proces ten przebiega szybciej nad akwenami (absorpcja CO₂ przez wodę)

• dwutlenek węgla - powstaje podczas całkowitego spalania paliw

CO₂ - nie stanowi bezpośredniego zagrożenia pod warunkiem, że nie nastąpi nadmierna emisja naruszająca równowagę biologiczną

działanie pośrednie - efekt cieplarniany

Tlenek azotu N_X O_Y

powstawanie - procesy wysokotemperaturowego spalania paliw (1200-1800°C)

toksyczność:

działanie bezpośrednie

- rośliny - 1ppm przez 2 doby - obumarcie

- zwierzęta - 5 ppm przez 10 min. - trudności w oddychaniu, a 100 ppm przez 5 godzin - obrzęk płuc i śmierć

działanie wtórne

- prekursory nitrozoamin (działanie mutagenne)

- z węglowodorowymi skażeniami powietrza - powstawanie bardzo toksycznych fotochemicznych utleniaczy (wolne rodniki, azotany (V) nadtlenków organicznych) - są zdolne do utleniania materiałów nie utlenialnych przez tlen

porównanie toksyczności:

azotan (5) nadtlenoacetylowy <0,01 ppm

ozon O₃ <0,1 ppm

NO₂ <10,0 ppm

NO < 50,0 ppm

powstawanie smogu fotochemicznego:

naturalny mechanizm samooczyszczania powietrza z NO₂

N₂O - produkt procesów denitryfikacji gaz cieplarniany

NH₃ - emisja z rolnictwa produkcja zwierzęca

Węglowodory C_X H_Y

źródło:

- emisja pochodnych ropy naftowej

- procesy spalania (zgazowanie C)

- rozpuszczalniki, pestycydy

CH₄ - produkcja zwierzęca - gazy jelitowe; wysypiska śmieci - gaz cieplarniany

węglowodory aromatyczne - toksyczność wzrasta ze wzrostem masy cząsteczkowej i cykliczności -

WWA - 3,4-benzopiren - najniebezpieczniejszy węglowodór - substancja rakotwórcza - procesy spalania (70% transport samochodowy)

węglowodory chlorowane (DDT) - kumulują się w tkance tłuszczowej i organach miąższowych

Szkodliwość (WWA) - wywołują ostre i przewlekłe zatrucia - działanie karcogenne

Ozon troposferyczny

stężenie ozonu w troposferze jest znacznie mniejsze niż w stratosferze i waha się między 20-60 ppb

nawet małe ilości ozonu (ok80 ppb) działają hamująco na wzrost roślin i ludzi (1ppm jest dawką śmiertelną)

tylko niewielka część ozonu troposferycznego pochodzi ze stratosfery, natomiast jego większa część powstaje w pobliżu powierzchni grunku. Ozon ten powstaje w wyniku działania promieniowania UV-A na NO₂

SO_X - największa emisja - energetyka, później przemysł, rolnicze i bytowe - emisje rozproszone z palenisk domowych

NO_X - najwięcej energetyka i przemysł, w mniejszej liczbie spalanie w transporcie

CO - przemysł, transport, rolnicze i bytowe

CO₂ - wszyscy po trochu

węglowodory aromatyczne - transport i przemysł

emisja pyłów i gazów w Polsce - dominuję emisje gazowe dlatego, że poziom ochrony przed pyłami jest większy i łatwiej je usunąć

Niekorzystne zjawiska związane z zanieczyszczeniem atmosfery:

• smog

• kwaśne deszcze

• dziura ozonowa

• efekt cieplarniany

Smog (mgła inwersyjna)

rodzaj wtórnego zanieczyszczenia powietrza powstały z połączenia dymu (gaz + ciała stałe 0,1-1,0μm) i mgły lub pary wodnej

smog fotochemiczny (typ „Los Angeles”) powstaje w klimacie tropikalnym lub subtropikalnym

- spaliny samochodowe - węglowodory, NO_X, CO (czad)

- pod wpływem promieniowania słonecznego związki te reagują i powstają silne substancje utleniające - działanie szkodliwe

- atakuje drogi oddechowe ludzi i zwierząt, łzawienie

- choroby roślin

- niszczenie wyrobów w gumy, kauczuku i tekstylii

smog siarkowy („londyński”) - powstaje w wielkich aglomeracjach strefy umiarkowanej, głównie w wyniku spalania węgla

- sadza - drobne cząstki C o stosunku pow. wielokrotnie większej od masy - duża zdolność do absorpcji na różnych powierzchniach. Zawiera węglowodory i inne związki rakotwórcze. Jej obecność to efekt niedoskonałego spalania (niedokładne rozpylanie paliwa ciekłego, niedobór tlenu, zbyt niska temperatura na końcu płomienia)

- tlenki siarki (SO₂)

- tlenek węgla

Działanie szkodliwe

- działanie parzące, podrażnia drogi oddechowe, szkodliwie działa na układ krążenia - powoduje liczne zachorowania i nagłe zgony

- występuje w ograniczonym zakresie w Krakowie, Górny Śląsk, Zakopane, Kotlina Jeleniogórska i w innych kotlinach gdzie są duże emisje produktów spalania C i inwersje temperatur.

Dziura ozonowa

Ozon stratosferyczny

na wysokościach powyżej 400km tlen znajduje się głównie w postaci wolnych atomów, co związane jest z bezpośrednim oddziaływaniem promieniowania ultrafioletowego - UV

w niższych warstwach atmosfery, wraz ze wzrostem ilości O₂, rośnie również ilość O₃, aż do wysokości 15-25km, na której zanika ponad 90% zawartości ozonu

część ozonu ulega normalnemu rozpadowi, w wyniku zaabsorbowania niskoenergetycznej części promieniowania UV-C oraz całego promieniowania UV-B, jak również w skutek reakcji łańcuchowych ze znajdującymi się w stratosferze wolnymi rodnikami (np. HO - hydroksyl, NO - tlenek azotu, Cl, Br)

ostatnio w stratosferze obserwuje się istotny wzrost stężeń CL i Br (rodników), które znacznie intensywniej rozkładają ozon. Jeden wolny rodnik Cl jest zdolny do zniszczenia 100 000 cząsteczek ozonu, zanim ich cykl (reakcja łańcuchowa) nie zostanie przerwany

pojawienie się tlenków azotu może przerwać niekorzystną reakcję łańcuchową ozonu z chlorem na rzecz mniej szkodliwej reakcji z azotem

Warstwa ozonowa

• stężenie ozonu w stratosferze zmienia się wraz z wysokością i osiąga max (10ppm) w niższych warstwach stratosfery, powyżej granicy między stratosferą, a troposferą - warstwa ta nosi nazwę: warstwa ozonowa lub ozonosfera

• większość ozonu powstaje w obszarach równikowych, gdzie natężenie promieniowania UV-C jest największe. Powstający ozon przemieszcza się w kierunku biegunów i do niższych wysokości

• zmniejszenie się ilości ozonu w stratosferze prowadzić będzie do zmian ilości pochłaniania energii i może mieć istotny wpływ na zmianę klimatu na powierzchni ziemi

• znaczne stężenie zmniejszenia ozonu występuje nad Antarktydą z początkiem wiosny (do 50%) - jest to tzw. „dziura ozonowa”

Dziura ozonowa

zjawisko ubytku ozonu w ozonosferze, pod wpływem zanieczyszczenia atmosfery związkami reagującymi z ozonem

• substancje reagujące

- freony - związki chemiczne o dużej prężności par w niskich temperaturach i dużym cieple parowania, co powoduje, że są masowo wykorzystywane w urządzeniach chłodniczych, w produkcji tworzyw sztucznych (pianka poliuretanowa) i aerozoli; np. freon 11- CFCl₂, freon 12- CF₂Cl₃

- inne chlorowcopochodne - CH₃Cl, CH₃Br, CCl₄

• mechanizm ubytku ozonu

- freon jest nieaktywny i nierozpuszczalny w wodzie, nie powoduje korozji, nie niszczy farb i lakierów, nie drażni skóry, nie nagromadza się w dolnych warstwach atmosfery - idealne właściwości - po 20 latach prosperity w 1971r. zakwestionowano ich nieszkodliwość (Rowland i Molin)

- niezniszczalność freonów i lekkość - przenikanie do ozonosfery (30-40km), która chroni ziemię przed promieniowaniem ultrafioletowym

- rozkład freonów pod wpływem UV na atomy pierwiastków

- atomy Cl i F reagują z O₃ co prowadzi do niszczenia ozonosfery - dziury ozonowe

CFCl₃ hv CF₂Cl + Cl* Cl* + O₃ ClO* + O₂

- potencjalne skutki kilkuprocentowego zniszczenia ozonosfery - wzrost promieniowania UV - podwyższenie temperatury (pustynnienie), niszczenie chlorofilu, mutacje genetyczne - wzrost zachorowań na nowotwory

Ozon

• występowanie: odkryty i nazwany w 1840 r. przez Schönbeina, posiada specyficzny ostry zapach, wydziela się w pobliżu pracujących maszyn elektrycznych, w czasie wyładowań elektrycznych (świeży zapach), przy działaniu promieni ultrafioletowych na tlen zawarty w powietrzu, przy powolnym utlenianiu żywicy drzew (w lasach sosnowych)

• własności: cząsteczki o niskiej trwałości, ale bardzo wysokiej reaktywności (utlenia metale szlachetne)

ozon troposferyczny:

NO₂ NO + O

O + O₂ + M O₃ + M

M = N₂, O₂ …

absorpcja nadmiaru energii

- 120 ppb O₃ trudność w oddychaniu

- 1ppm dawka śmiertelna

Związki chloru powodujące rozpad ozonu

chlorofluorowęglowodory (ClFC) - niepalne, bezwonne, chętnie stosowane w przemyśle (urządzenie chłodnicze, dezodoranty), odporne na rozpad w troposferze, nierozpuszczalne w wodzie, łatwo przenikają do stratosfery, gdzie pod wpływem promieni UV-C ulegają dysocjacji na wolne atomy Cl

hydrochlorofluorowęglowodory (HClFC) - ulegają rozkładowi w troposferze i tylko ich niewielka część przedostaje się do stratosfery, są stosowane jako zamienniki CFC

halony (zawierają brom - np. CBrF₃ ) stosowane jako czynniki gaśnicze, nie mają zamienników

Kwaśne deszcze

opady atmosferyczne (deszcz, grad, śnieg, mżawki, opady suche) zakwaszone produktami przemian:

- dwutlenku siarki - 70% (H₂SO₄)

- tlenków azotu - 30% (HNO₃)

- tlenków węgla

schemat powstawania

szkodliwość

- zakwaszenie gleb i wód powierzchniowych (rolnicy się cieszą - nawożenie N i S)

- ujemny wpływ na szatę roślinną - bezpośredni polegający na uszkadzaniu liści i igieł, pośredni - zanieczyszczenie gleby

- podrażnienie oczu i dróg oddechowych

- niszczenie budowli z wapienia i piaskowca

amoniak w glebie, nitryfikacja, utlenianie i powstaje H⁺ zakwaszający glebę

aerozol kw. siarkowego

- opad suchy - adsorpcja na powierzchniach wilgotnych

- wymywanie (poniżej chmury)

- opady deszczu (z chmury)

kwaśny deszcze jest problemem dla terenów naturalnych, np. lasy, jeziora, wody stojące; zmienia się ekosystem w innym kierunku. Następuje degradacja. Kwaśny deszcze jest mechanizmem samooczyszczania atmosfery. Polska jest największym emiterem siarki.

Efekt cieplarniany

zjawisko ocieplania się klimatu Ziemi, polegające na zatrzymaniu pewnej ilości ciepła emitowanego do atmosfery. Jest to spowodowane wzrostem zawartości w atmosferze gazów mających zdolność pochłaniania ciepła (promieniowania podczerwonego) co zmniejsza ilość ciepła rozpraszaną w przestrzeń kosmiczną

- gazy cieplarniane: CO₂, freony, CH₄, N₂O, CCl_4, niedobór O₃

- źródła gazów cieplarnianych - procesy spalania paliw, wycinanie lasów, pożary, rolnictwo (zwierzęta i uprawy ryżu CH₄)

- potencjalne skutki - globalna zmiana klimatu, wzrost temperatury o ok. 3°C - topnienie lodowców na biegunach, podniesienie poziomu mórz i zalanie części lądu - w ciągu ostatnich 110 lat (1880-1990) poziom mórz i oceanów wzrósł o 11cm - ostrzeżenie dla całej ludzkości (Wenecja, Aleksandria, Holandia)

ANTROPOGENICZNA EMISJA GAZÓW I JEJ HIPOTETYCZNY WPŁYW NA ATMOSFERĘ ZIEMI - SYNONIM „EFEKTU CIEPLARNIANEGO”

charakterystyka zjawiska:

• wzrost stężenia w atmosferze niektórych gazów, w tym możliwość podwojenia w czasie najbliższych kilkudziesięciu lat stężenia CO₂

• wzrost średniej globalnej temperatury o 1,8°C (do 2030 roku)

• modyfikacja klimatu w skali regionalnej i globalnej

EFEKT CIEPLARNIANY SZKLARNIOWY

charakterystyka zjawiska:

• emisja promieniowania podczerwonego przez powierzchnię Ziemi jako znacznej części nie zaadsorbowanego promieniowania słonecznego

• częściowe zaadsorbowanie odbitego promieniowania przez parę wodną i niektóre gazy śladowe zawarte w atmosferze ziemskiej (CO2, CH4, N2O, O3, CFC), wzrost temperatury przy powierzchni Ziemi (do średnio 15°C) na skutek zatrzymania promieniowania podczerwonego (efekt szklarniowy) = zapobiegnięcie wyziębieniu powierzchni planety (do ok. 18°C)

Gazy cieplarniane:

CO2, CO, CH4, NOx, N2O, NH3 (pośrednio), CFC, O3

najważniejsze cieplarniane skutki efektu cieplarnianego:

• tajanie lodowców Arktyki i Antarktydy - zatopienie najniżej położonych połaci lądu

• zmniejszenie obszaru gruntów uprawnych w wyniku zatopienia i suszy

• zanik licznych gatunków zwierząt

• zmiany w społecznej i politycznej strukturze świata

• przyspieszenie procesów wytwarzania minerałów, mineralizacji substancji organicznej oraz ewapotranspiracji

• zwiększenie stężenia CO2 w atmosferze (sprzężenie zwrotne) - wzrost plonów

• zmiana wielkości opadów i ewaporacji

• nasilenie rozwoju szkodników i chorób roślin w wyniku bardziej ciepłego i wilgotnego klimatu

• wzrost poziomu mórz z szybkością ok. 0,6cm na rok - zalanie terenów przymorskich

czynniki decydujące o zdolności pochłaniania promieniowania podczerwonego przez różne związki (w skali porównawczej względem CO2):

1. właściwości pochłaniania promieniowania podczerwonego danego gazu

2. czas przebywania danego gazu w atmosferze

3. pośrednie skutki obecności danego gazu w atmosferze (np. utlenianie CH4 do CO2 i H2O)

GWP - bezpośredni potencjał globalnego ocieplenia, w następstwie dodania 1 kg każdego gazu do atmosfery w stosunku do CO2 w ciągu 100 lat

Sposoby ograniczenia emisji gazów cieplarnianych:

• zmniejszenie zużycia konwencjonalnych nośników energii poprzez wzrost wydajności urządzeń energetycznych

• poszukiwanie alternatywnych nośników energetycznych

• wprowadzanie katalizatorów w pojazdach samochodowych

• przesunięcie nadmiaru produkcji rolniczej z krajów zacofanych gospodarczo do krajów rozwiniętych

• efektywny recykling składników pokarmowych dla roślin:

1. optymalizacja zużycia nawozów (ścisłe bilansowanie nawożenia z zapotrzebowaniem na

składniki pokarmowe)

2. racjonalne wykorzystanie do celów rolniczych odpadów komunalnych, np. kompostowania

• zwiększenie wydajności produkcji zwierzęcej oraz zmiana diety u przeżuwaczy

• przeciwdziałanie erozji gleb, spływom powierzchniowym jak również odgazowaniu gleb

• powstrzymanie karczowania lasów wypalanie

• odwodnienie bagien

• kontrolowana produkcja biogazu z odpadów komunalnych

Wykład 3

- 1 -

---