W prognozach pogody najczęściej słyszymy określenia – powietrze polarne, arktyczne, zwrotnikowe - te określenia dotyczą nazw mas powietrza, czyli ograniczonych obszarów troposfery, gdzie panują stosunkowo jednolite parametry powietrza, takie jak wilgotność, temperatura czy prędkość przemieszczania się. Nazwy tych mas powietrza związane są z obszarami na Ziemi z jakich powietrze to napłynęło. W strefę klimatu umiarkowanego, czyli w tym nad Polskę, napływają najczęściej te trzy wymienione rodzaje mas powietrza.
Do grupy głównych mas powietrza należy jeszcze powietrze równikowe, którego masy formują się, jak nazwa wskazuje, w strefie równikowej. Masy tego powietrza są wielką rzadkością w obszarach klimatu umiarkowanego. Te wszystkie wymienione rodzaje mas powietrza są powietrzem atmosferycznym, różnicowanym jedynie klasyfikacją geograficzną, określającą źródłowy obszar ich tworzenia.
Tutaj jednak, w dalszej części, chcemy się zająć jedynie warstwą atmosfery położoną najbliżej powierzchni Ziemi - strefa ta nazywa się troposferą. Górny poziom tej strefy ma różną wysokość - zmienia się od 7 do 10 kilometrów w pobliżu biegunów Ziemi i od 15 do 18 kilometrów w pobliżu równika
zdj. 1
Składniki powietrza
Mówiąc o powietrzu atmosferycznym mamy na myśli mieszaninę gazów stanowiącą przeważającą część atmosfery ziemskiej. Obok części gazowej występuje w tym obszarze również woda oraz różne cząstki ciała stałego. Takimi cząstkami są okruchy skalne, o rozmiarach od jednego milimetra do kilku metrów, które po przybyciu z kosmosu i wejściu w naszą atmosferę stają się meteorami. Składniki gazowe tej mieszaniny zajmują 99,9% objętości powietrza i są tworzone przez: azot, tlen, argon oraz neon, hel, krypton i wodór.
Stężenia tych pierwiastków gazowych nie zmieniają się do wysokości około 100 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Do składników których stężenia są zmienne, i są różne w różnych obszarach atmosfery, zaliczamy: parę wodną, ditlenek węgla i ozon. Zmienność stężeń tych składników w atmosferze jest różna zarówno w czasie jak i w przestrzeni.
Wszyscy znamy ważną fizjologicznie rolę tlenu w prawidłowym funkcjonowaniu organizmu człowieka. W powietrzu pierwiastek ten stanowi 21% udziału wszystkich składników gazowych. Mało kto jednak wie, że w opinii fizjologów ta stała ilość tlenu w atmosferze jest prawie dwa razy większa niż potrzebna jest do prawidłowego funkcjonowania naszego organizmu. Naszym komórkom wystarczałoby w powietrzu jedynie 13% tego gazu. Tymczasem, co ciekawe, a ważne dla prawidłowego funkcjonowania naszego organizmu: do prawidłowej wymiany gazowej nasze komórki potrzebują aż 6,5% CO2, podczas gdy w powietrzu atmosferycznym jest on obecny jedynie w ilości ułamka procentowego (0,04%). Ditlenek węgla potrzebny do prawidłowych funkcji życiowych człowieka tworzy się wewnątrz organizmu, jako efekt trawienia tłuszczów, węglowodanów oraz w wyniku pracy mięśni.
Podzielę się tutaj interesującą informacją, dotyczącą roli ditlenku węgla w zjawisku zwanym głód tlenowy (hipoksja), znanym m.in. osobom wspinającym się w górach wysokich. Stan takiego „głodu” doświadczyłem osobiście w górach Kaukazu, wspinając się na Elbrus.
Zdj.2
Ciekawe szczegóły głodu tlenowego wyjaśniono mi już po zdobyciu szczytu (5642 m n.p.m.), a warto je tutaj przedstawić, gdyż mają związek z przedstawianymi sprawami dotyczącymi składu powietrza atmosferycznego. Już wcześniej wiedziałem, że na wysokości 5 kilometrów gęstość powietrza atmosferycznego wynosi tylko połowę wartości osiąganej na poziomie morza, i pomimo, że nawet na tej wysokości stężenie tlenu i innych składników powietrza jest takie samo jak na nizinach, to ilość tlenu we wdychanym powietrzu jest dwukrotnie niższa. Nie byłem więc zdziwiony, że na stokach Elbrusa od pewnej wysokości pojawiły się trudności z oddychaniem i oczywistym wydawało się, że ten niedostatek tlenu można nadrobić zwiększoną intensywnością oddychania.
Jakie było moje zaskoczenie, już po zdobyciu szczytu, kiedy wyjaśniono mi, że głębokie oddechy wcale nie poprawiają ilości tlenu we krwi. A powód tego paradoksu jest następujący. Ponieważ tlen jest trudno rozpuszczalny we krwi dlatego prawie całość tego gazu obecnego w naszym krwiobiegu, a potrzebnego z powodów fizjologicznych, transportowana jest przez hemoglobinę. I właśnie okazuje się, że uwolnienie tlenu z hemoglobiny uzależnione jest od ilości CO2 obecnego w pęcherzykach płucnych i w krwi tętniczej.
Wykazano, że przy stężeniu CO2 we krwi poniżej 5% oddzielenie się cząsteczek tlenu od hemoglobiny jest utrudnione, czyli utrudnione staje się właściwe dotlenienie tkanek i narządów. Na ten niedostatek tlenu reakcją człowieka, podaną mu sygnałem z mózgu, są głębokie oddechy, które mają zwiększyć objętość powietrza dostarczanego do płuc. I tutaj wielkie zaskoczenie - ta zwiększona wentylacja płuc obniża poziom CO2 w płucach, a tym samym we krwi, tkankach i wreszcie w komórkach; w efekcie, z hemoglobiny uwalnia się mniej tlenu, zmniejsza się dotlenienie mózgu czego konsekwencją są zawroty głowy, majaki i ogólne zmęczenie, nieraz połączone z wymiotami. Przedstawiona sytuacja prowadzi do niezwykle zaskakującego wniosku: to zwłaszcza stężenie ditlenku węgla we krwi jest czynnikiem kontrolującym właściwe dotlenienie organizmu.
Ten wątek dotyczący fizjologicznej roli CO2 zakończyć jednak trzeba następującym, ważnym zastrzeżeniem. Pomimo, że CO2 jest niezbędny w wielu ważnych procesach dotyczących organizmu człowieka, to jednocześnie obserwowane ciągłe przyrosty stężeń tego gazu cieplarnianego w atmosferze są zdecydowanie niepożądane, gdyż jest on jednym z gazów cieplarnianych odpowiedzialnych za procesy globalnego ocieplenia.
Czym jest proces zanieczyszczania powietrza
Co właściwie należy rozumieć pod pojęciem procesu zanieczyszczania powietrza atmosferycznego? Definiuje się to jako proces wprowadzania do powietrza substancji zmieniających jego skład naturalny. Stąd więc substancją zanieczyszczającą będzie każda substancja, w postaci stałej, gazowej lub cieczy, która stwarza dwie możliwe sytuacje: nie jest naturalnym składnikiem powietrza atmosferycznego, oraz, która wywołuje wyższe poziomy stężeń tej substancji w powietrzu niż poziom naturalny. Źródłem takich procesów zanieczyszczania mogą być różnego rodzaju działania człowieka (mówimy wtedy o procesach czy emisjach antropogennych) lub mogą to być zjawiska naturalne zachodzące w środowisku (np. wybuchy wulkanów).
Jest jeszcze inne pojęcie, wśród tych podstawowych, warte przypomnienia: czym są wtórne zanieczyszczenia powietrza? To takie zanieczyszczenia, które nie są emitowane ze źródeł antropogennych lub naturalnych, ale powstają w atmosferze, w wyniku reakcji chemicznych pomiędzy zanieczyszczeniami wcześniej wyemitowanymi do atmosfery. Dobrym przykładem takiego zanieczyszczenia wtórnego jest ozon, powstający jako produkt reakcji tlenków azotu i węglowodorów, przy udziale promieniowania słonecznego. Właśnie to zanieczyszczenie i inne jeszcze utleniacze, są głównymi składnikami smogu fotochemicznego, oddziałując bardzo toksycznie na rośliny oraz na układ oddechowy człowieka.
Istotą ochrony powietrza atmosferycznego są działania polegające na minimalizowaniu obecności zanieczyszczeń w powietrzu. O jakości powietrza atmosferycznego w różnych rejonach naszego kraju dowiadujemy się z wyników badań prowadzonych w systemie około 180 automatycznych stacji monitoringu jakości powietrza.
Zdj.3
Głównym obiektem takich stacji pomiarowych jest metalowy kontener, mieszczący wewnątrz analizatory stężeń określonych zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego. Powietrze do tych analizatorów stężeń pobierane jest przez sondy wyprowadzane na zewnątrz w górnej części kontenera. Dane z prowadzonych w naszym kraju pomiarów monitoringowych są ogólnodostępne, można je znaleźć na mapie Bieżących danych pomiarowych - Portalu Jakości Powietrza Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska.
Co kształtuje jakość powietrza atmosferycznego
Na pytanie od czego zależy jakość powietrza wydaje się dosyć prosta: poziomy stężeń zanieczyszczeń zależą od wielkości ładunków zanieczyszczeń wyemitowanych do atmosfery – efektem większej emisji będą wyższe stężenia zanieczyszczeń, zaś rezultatem odpowiednio mniejszej emisji będą odpowiednio niższe poziomy stężeń zanieczyszczeń w powietrzu.
Nie ma jednak prostej zależności pomiędzy wielkością emisji zanieczyszczeń a kształtowaniem się poziomów stężeń, będących rezultatem tych emisji. Dlaczego tak jest? - miałem okazję już to wcześniej omówić – patrz: Smog zimowy – co warto wiedzieć o tym zjawisku. W sytuacji smogu głównym powodem wystąpienia wysokich stężeń zanieczyszczeń w powietrzu wcale nie są szczególnie wysokie emisje zanieczyszczeń, lecz powodem najistotniejszym okazują się być szczególne warunki meteorologiczne, sprzyjające kumulacji zanieczyszczeń w przyziemnej warstwie atmosfery. Porównaj dwa następne zdjęcia:
Na załączonym zdjęciu, zrobionym z wysokości około 1200 metrów n.p.m. widać rozległe obniżenie terenu, na końcu którego, w odległości około 100 kilometrów zobaczyć można inny szczyt górski, o podobnej wysokości z jakiej zrobiono zdjęcie.
Kolejne zdjęcie, zrobione kilka dni później z tego samego miejsca, jest zupełnie inne. Widzimy, że pionowy profil atmosfery podzielony jest na dwie części, wyraźnie różniące się barwą. Powodem ciemniejszego koloru części przyziemnej atmosfery jest obecność znajdujących się tam zanieczyszczeń, zwłaszcza pyłów, ditlenku siarki i również tlenków azotu. Ponad tą warstwą jest obszar przeźroczystej atmosfery, pozwalający dostrzec ten sam, co na poprzednim zdjęciu, ośnieżony szczyt. Sytuacja uchwycona na tym zdjęciu jest przykładem sytuacji smogowej, kiedy to warunki meteorologiczne (inwersja temperatury) są zwłaszcza odpowiedzialne za kształtowanie jakości powietrza (szczegóły wyjaśniłem w artykule Smog zimowy – co warto wiedzieć o tym zjawiskuhttps://www.ekoproblemy.pl/post/smog-zimowy-co-to-jest).
Wyobraźmy sobie atmosferę jako wielki reaktor chemiczny. Substancje znajdujące się w tej przestrzeni są reagentami, a parametry meteorologiczne (zwłaszcza temperatura, wilgotność, promieniowanie słoneczne) uznać można jako czynniki wpływające na zjawiska fizyko-chemiczne przebiegające w tej przestrzeni. Przy nieduże wyobraźni łatwo uzmysłowić sobie różnorodność możliwych przemian jakim podlegają obecne w tej przestrzeni zanieczyszczenia. Zestaw głównych przemian kształtujących poziomy stężeń zanieczyszczeń obecnych w powietrzu przedstawiono na Schemacie 1.
Zanieczyszczenia emitowane do atmosfery ulegają licznym fizycznym i chemicznym przemianom, prowadzącym do powstawania nowych związków, często bardziej toksycznych od związków wyjściowych. Koagulacje aerozoli atmosferycznych i opady atmosferyczne sprawiają, że po pewnym czasie część zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery odprowadzana jest do wody i gleby. Ilość czynników wpływających na przedstawione na Schemacie przemiany jest bardzo liczna co powoduje, że ich zmienność w czasie i przestrzeni jest niezwykle duża. Przykładowo, szybkości przemiany ditlenku siarki w atmosferze zależy od warunków nasłonecznienia, wilgotności względnej, a nawet stężenia pyłu i zawartości w nim metali mogących modyfikować kinetykę przemiany tego zanieczyszczenia. W uprzemysłowionych częściach Polski po około 10 godzinach stężenie SO2 może obniżyć się nawet o połowę.
Mokra depozycja to sprowadzanie części pyłu i zanieczyszczeń gazowych ze środowiska atmosferycznego do powierzchni Ziemi wraz z opadem. Opad deszczu można więc traktować jako czynnik powodujący proces częściowego samooczyszczania atmosfery.
Podsumowując problem zawarty w tytule tego artykułu można stwierdzić, że:
jakość powietrza atmosferycznego zależy od wzajemnego oddziaływania dwóch czynników - emisji zanieczyszczeń i warunków meteorologicznych. Pomimo, że sporo zjawisk zachodzących w atmosferze ma charakter procesów samooczyszczania, to bez wątpienia minimalizowanie wielkości emisji zanieczyszczeń do atmosfery musi dominować w działaniach na rzecz dbałości o właściwą jakość powietrza.
Zresztą i tak to stwierdzenie możemy jedynie odnieść do emisji ze źródeł antropogennych, gdyż na emisję ze źródeł naturalnych istotnego wpływu niestety nie mamy.
Sprawdź aktualną jakość powietrza w Twojej okolicy
Główny Inspektorat Ochrony Środowiska udostępnia mapę, na której można śledzić na bieżąco jakość powietrza w całej Polsce. Dzięki sieci stacji pomiarowych, zlokalizowanych w strategicznych punktach okolicy, można sprawdzić jakość powietrza w swojej okolicy.
Chcesz sprawdzić poziom zanieczyszczeń w Twojej miejscowości?
Sprawdź tutaj >>>
Aplikacja Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska pt. „Jakość powietrza w Polsce” prezentuje dane bieżące o jakości powietrza z automatycznych stacji pomiarowych funkcjonujących w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska (PMŚ). Dane dotyczą aktualnych stężeń pyłu PM10, pyłu PM2,5, dwutlenku siarki (SO2), dwutlenku azotu (NO2), tlenku węgla (CO), benzenu (C6H6) i ozonu (O3).
Zostań z nami aby dowiedzieć się dlaczego warto sprawdzać te parametry oraz kiedy szczególnie należy monitorować wskaźniki zanieczyszczenia w swoim rejonie, aby zminimalizować ich wpływ na zdrowie.
Tekst i zdjęcia
Stanisław Hławiczka
#jakość powietrza #zanieczyszczenie powietrza
Comments