Smog i jego źródła

Wraz nadejściem chłodniejszych dni w powietrzu pojawia się charakterystyczny zapach, którego źródłem jest unoszący się z kominów dym. Widać i czuć, że nadchodzi sezon smogu. Nie jest jednak prawdą, że źródłem tego szkodliwego dla zdrowia zjawiska są wyłącznie ogrzewane przy użyciu niewłaściwego paliwa domostwa. Naukowcy z Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska SGGW wraz z pracownikami IPIŚ PAN Zabrze oraz SGSP w Warszawie od kilku lat prowadzą długoterminowe badania zanieczyszczeń powietrza na warszawskim Ursynowie. Jednoznacznie wynika z nich, że smog to zjawisko, które ma bardzo złożone przyczyny i różnorodne źródła, a dym z kominów to zaledwie jeden kawałek skomplikowanej układanki.  

Skąd ten smog?

Smog kojarzy się przede wszystkim z mgłą i charakterystycznym gryzącym zapachem. Zgodnie z encyklopedyczną definicją jest to „mgła zawierająca zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego”.  Zjawisko to nie zawsze jednak daje się zaobserwować. W powietrzu pojawiają się także duże stężenia szkodliwych substancji, których nie widać i nie czuć.

Skąd się bierze? Znaczna część zanieczyszczeń to skutek działalności człowieka. Na obszarach zurbanizowanych w Polsce podstawowymi źródłami pyłu zawieszonego PM i jego gazowych prekursorów (tlenki azotu NOx, tlenki siarki SOx, lotne związki organiczne LZO) są pyły powstające w wyniku spalania węgla i jego pochodnych w piecach domowych (mimo zakazów niejednokrotnie opalanych także śmieciami)  lub lokalnych kotłowniach (tzw. niska emisja), a także energetyka, przemysł i komunikacja, zwłaszcza szeroko pojmowany ruch drogowy. Do tego dochodzą jeszcze zanieczyszczenia powietrza pochodzenia naturalnego – np. procesy gnicia obumarłych roślin i padłych zwierząt, wyładowania atmosferyczne czy promieniowanie słoneczne.

W skład smogu wchodzą zarówno makroskładniki (węgiel organiczny i elementarny, jony rozpuszczalnych w wodzie związków – siarczanowy, amonowy, azotanowy, a także chlorki oraz pierwiastki - sód, potas, wapń), jak i mikroskładniki (pierwiastki śladowe, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, monocukry). Zdaniem dr. hab. Grzegorza Majewskiego, prof. SGGW: Aby ustalić pochodzenie pyłu zawieszonego PM, czyli głównego składnika smogu, i wprowadzić narzędzia ograniczające jego stężenia w powietrzu rożnych aglomeracji miejskich na całym świecie, trzeba przez kilka lat prowadzić szeroko zakrojone badania jego składu chemicznego”.

Naukowcy przeprowadzili badania składu chemicznego smogu na terenie warszawskiego Ursynowa. Obejmowały one frakcję PM₁ bardzo dobrze charakteryzującą pył drobny i jego źródła w atmosferze i zgodnie z literaturą naukową uznawaną za pochodzącą z procesów antropogenicznych. Pomiary były prowadzone przez 120 dni  w dwóch terminach: 24 lipca – 22 września 2014 oraz 8 stycznia – 8 marca 2015 r. W tym czasie zapisywane były także szczegółowe parametry meteorologiczne takie jak: temperatura powietrza, promieniowanie słoneczne, wilgotność względna powietrza, ciśnienie atmosferyczne, dzienna suma opadów atmosferycznych, a także prędkość i kierunek wiatru.

Smog tkwi w szczególe

Wyniki badań pozwoliły określić poziom stężenia pyłu PM₁, a także wskazać masę PM₁ pochodzącą bezpośrednio z emisji (pierwotny PM), jak i masę wtórnego PM, powstające na skutek przemian gazowych prekursorów PM. Z przeprowadzonych badań wynika, że aerozol wtórny stanowi średnio w całym okresie aż 62% masy PM₁ (51% latem, 69% zimą). Do tej pory prowadzone w kraju  bilansowanie emisji z różnych źródeł czy sektorów gospodarki i próby przełożenia spadków i wzrostów emisji PM na spadki i wzrosty stężeń PM w powietrzu opiera się na założeniu, że cząstki PM są pierwotne. Tymczasem jak pokazują dane z tej pracy pierwotne cząstki stanowią znacznie mniejszy udział w stężeniu sumikronowego PM niż cząstki pochodzące z przemian gazów, które były dotąd pomijane w takich bilansach. 

Naukowcy dowiedli, że skuteczne ograniczanie stężeń PM musi polegać na ograniczeniu emisji prekursorów  gazowych PM, a nie samych cząstek PM. Oznacza to, że ograniczanie emisji pierwotnego PM, którego źródłem są domowe piece, pył ze ścierania nawierzchni drogowej, pierwotne cząstki metaliczne z przemysłu, bakterie, zarodniki i szczątki roślin, materia glebowa, itp.) nie wpłynie znacznie na obniżenie w powietrzu stężeń PM₁.

Pogoda a smog

Warunki synoptyczne i meteorologiczne odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu stężenia pyłu zawieszonego (PM). Ich związek ze stężeniem PM może być pośredni (np. prędkość wiatru ma związek z szybkością i skalą rozprzestrzeniania PM) i bezpośredni (np. wilgotność powietrza i natężenie promieniowania słonecznego warunkują powstawanie wtórnego PM w powietrzu, a opad atmosferyczny – intensywność wymywania PM z atmosfery). O obecności cząstek PM lub prekursorów wtórnego PM w atmosferze decyduje jednak przede wszystkim emisja. Innymi słowy skład chemiczny PM w danym punkcie, niezależnie od warunków synoptycznych i meteorologicznych zależy od tego, z jakich źródeł pochodzi PM. Jeśli w kształtowaniu stężeń PM w danym rejonie dominują źródła lokalne, co często obserwować można w centrach dużych miejskich aglomeracji (przemysł, transport, itp.), to skład chemiczny i stężenia PM będą zmieniać się dynamicznie wraz ze zmianami intensywności emisji z tych lokalnych źródeł. Jeśli jednak obszar nie jest bezpośrednio narażony na oddziaływanie bliskich źródeł, wówczas zmiany w składzie chemicznym PM i w jego stężeniach nie będą już łatwe do przewidzenia i zinterpretowania, bo będą zależne od emisji z odległych źródeł, a dokładnie od jakości mas powietrza napływających nad dany obszar. W takim wypadku można powiedzieć, że kluczowy wpływ na skład chemiczny i stężenia PM mają warunki synoptyczne i meteorologiczne, które decydować będą po pierwsze  o tym, z jakiego rejonu (kierunek i odległość) nad obszar napływać będą PM i jego gazowe prekursory, po drugie - jakim transformacjom będą podlegały niesione z masami powietrza zanieczyszczenia podczas ich przemieszczania się.

Jak zdusić smog?

„Żeby w sposób zauważalny  i długotrwały poprawić jakość powietrza w Warszawie, trzeba spojrzeć na problem PM w sposób kompleksowy i ocenić co najmniej w kilku punktach miasta pochodzenie PM (niska emisja, energetyka i ruch drogowy) w sposób przyjęty na całym świecie, a więc na bazie wiarygodnych i kompleksowych danych o składzie chemicznym PM” – mówi G. Majewski. Trzeba jednak mieć świadomość, że problem smogu to nie jest tylko problem związany z ogrzewaniem domów w sezonie zimowym, choć jest on najłatwiejszy do zaobserwowania. Smog dokucza nam także latem, choć jest wtedy mniej wyczuwalny. Zanieczyszczenia powietrza nie są także problemem lokalnym. Przy sprzyjających wiatrach wystarczy 12 godzin, by pyły przemysłowe ze śląskich fabryk dotarły nad Warszawę. „Na pewno należy walczyć o ograniczenie źródeł emisji PM, bo generalnie pozwoli to także na radyklane ograniczenie stężenia drobnego pyłu. Trzeba jednak dążyć także do tego, by na konkretnych obszarach nie stwarzać warunków do koncentracji zanieczyszczeń powietrza. Bardzo istotną rolę odgrywają tu przede wszystkim korytarze nawietrzające pełniące funkcję regeneracji zanieczyszczonego powietrza. Należy zwrócić uwagę na ograniczenie w wydawaniu pozwoleń na ich zabudowywanie. Ważna jest również roślinność, która ma zdolność do  oczyszczania powietrza.  Konieczne jest zakazanie (wraz z egzekwowaniem tych uzgodnień) palenia śmieci i odpadów oraz węgla słabej jakości (co związane jest z kontrolą sprzedawanego surowca). Znając najważniejsze rodzaje zanieczyszczeń i źródła ich emisji, można wdrożyć działanie zapobiegawcze i naprawcze. Ze względu na duże zagrożenie, jakie niesie ze sobą inhalacja bardzo zanieczyszczonego powietrza (nawet w krótkich okresach ma to znaczenie w przypadku ludzi starszych, chorych i dzieci),należy podjąć wszystkie możliwe działania mające na celu poprawienie jego jakości. Jednak w celu osiągnięcia zauważalnej i długotrwałej poprawy trzeba spojrzeć na problem PM w sposób kompleksowy” – mówi G. Majewski.

Czy mamy w Polsce smog?

„Analizując stężenia pyłu i dwutlenku siarki w Polsce z ostatnich kilkunastu lat, nie można jednoznacznie powiedzieć, że mamy ewidentnie do czynienia ze smogiem zimowym. Średniodobowe stężenia pyłu PM₁₀ osiągały wartości powyżej 200 µg/m3, jednak z wyjątkami nie przekraczały 400 µg/ . Także średniodobowe stężenie SO₂ nie przekraczały 150 µg/ . Pod tym względem nie powinniśmy nadużywać pojęcia smog. Jeśli jednak ma to zwrócić uwagę na skalę problemu, to jak najbardziej, mamy do czynienia ze smogiem, ale trzeba dodać, że jest to smog pyłowy lub aerozolowy. Na szczęście bardzo dużo brakuje nam do sytuacji, która miała miejsce w Londynie w 1952 r. W czasie tzw. czarnego smogu średniodobowe stężenia dwutlenku siarki i pyłu całkowitego osiągnęły poziom 5000 µg/ . Niemniej jednak szacuje się, że w Polsce z powodu chorób wywołanych zanieczyszczeniem powietrza umiera rocznie 40 tys. osób” – mówi G. Majewski.

Z czego składa się warszawski smog (frakcja PM₁)

15% - emisja komunikacyjna, przemiany emitowane ze spalinami (tlenki azotu i lotne związki organiczne)

- 51% - materia związana z emisją ze spalania różnego rodzaju paliw w celu produkcji energii i ciepła zarówno w indywidualnych mieszkaniach , jak i elektrociepłowniach, elektrowniach – wtórny produkt przemian tlenków siarki, tlenków azotu, amoniaku i lotnych związków organicznych oraz niewielkie ilości stałych cząstek pierwotnych takich jak zestalone w atmosferze tlenki metali, węglowodory, cząsteczki sadzy)

- ok 35% - pozostałe, niezidentyfikowane w tej pracy źródła PM₁ w Warszawie, to emisje przemysłowe, gleba i pył drogowy,  jak również emisje napływowe.