Nie ma wątpliwości, że emisja zanieczyszczeń do atmosfery ma wpływ na efekt cieplarniany. Jednak w tym przypadku mówi się głównie o tzw. gazach cieplarnianych, czyli dwutlenku węgla czy metanie. Natomiast na zmiany klimatu, w sposób bezpośredni i pośredni, mają wpływ także aerozole, emitowane do atmosfery ze źródeł naturalnych jak i antropogenicznych. To właśnie niektóre z nich powodują zatrzymanie ciepła w atmosferze, zaś inne rozpraszają i odbijają docierające do Ziemi promieniowanie słoneczne. Efekt ten w literaturze nazywany jest „wymuszeniami radiacyjnymi”, które decydują o występowaniu efektu cieplarnianego przyczyniając się do obserwowanych obecnie tendencji zmian temperatury i opadu. Co więcej, zmiany klimatu mogą powodować pętlę sprzężenia zwrotnego, sprzyjając w niektórych regionach tworzeniu się lub zanikaniu aerozolu w atmosferze (1,2).
Aerozole mogą być emitowane bezpośrednio do atmosfery, np. pył zawieszony, alergeny lub różnego rodzaju gazy, mogące tworzyć cząsteczki pyłu w atmosferze (tzw. prekursory pyłu). W takim przypadku mówimy o emisji pierwotnej. Aerozole powstające w atmosferze w wyniku reakcji fizycznych i chemicznych są nazywane mianem emisji wtórnej. Dlatego oba te rodzaje emisji należy rozpatrywać mając na uwadze ochronę klimatu i poprawę jakości powietrza.
Głównymi składnikami aerozolu atmosferycznego są związki nieorganiczne (takie jak siarczany, azotany, amoniak, sól morska), związki organiczne (często nazywane aerozolem organicznym), sadza (cząsteczki pyłu zawierającego znaczne ilości węgiel powstałe w wyniku niepełnego spalania paliw stałych i biomasy), frakcji mineralnych (głównie pyłu pustynnego i unoszonego z terenów suchych) i cząstek biologicznych pochodzących z roślin. Badania wskazują, że za obecność sadzy, siarczanów, azotanów i amoniaku w atmosferze odpowiadają źródła antropogeniczne, podczas gdy sól morska, większość pyłów mineralnych i związków organicznych jest pochodzenia naturalnego.
Ilość danego rodzaju aerozoli w atmosferze (stężenie) oraz ich właściwości (pochłaniające lub odbijające promieniowanie) decydują o klimacie danego regionu. Trudność w ocenie wpływu poszczególnych rodzajów aerozoli na klimat wynika głównie z niepełnego poznania złożonych procesów pomiędzy naturalnymi i antropogenicznymi źródłami emisji oraz ich interakcji z cyklem termicznym i hydrologicznym (1,4).
Aerozole w atmosferze wpływają na bilans promieniowania, czyli na zmianę strumienia promieniowania docierającego z kosmosu do Ziemi poprzez jego rozpraszanie oraz pochłanianie. Decyduje o tym zarówno wielkość cząsteczek znajdujących się w atmosferze, a także ich kształt, skład chemiczny oraz rodzaj. Niektóre aerozole prowadzą do wzrostu energii absorbowanej przez atmosferę powodując właśnie efekt cieplarniany, inne zaś (istniejące w przeważającej większości) maja właściwości redukujące, przyczyniając się tym samym do łagodzenia efektu cieplarnianego (1,2).
Na bilans energii zatrzymanej lub usuniętej z atmosfery mają wpływ chmury. Zaś na ich tworzenie lub zanik mają z kolei wpływ aerozole. Duża liczba cząsteczek aerozolu w powietrza o małych rozmiarach (tzw. aerozolu higroskopijnego) nazywana jest jądrami kondensacji, co wprost sprzyja tworzeniu się chmur. Typowym przykładem takiego zjawiska (emisji aerozoli i kondensacji prawy wodnej w atmosferze) są smugi kondensacyjne, które tworzą się za samolotami. W atmosferze blisko powierzchni Ziemi, na tworzenie się chmur wpływa m.in. aerozol zawierających sole, np. aerozol morski. By chmury mogły się tworzyć, ważna jest wysokość na jakiej znajduje się aerozol i jakie ma właściwości, pochłaniające czy rozpraszające.
Przykładem aerozolu silnie pochłaniającego promieniowanie jest sadza. Jej obecność w atmosferze zawierającej znaczne ilości węgla organicznego prowadzi do istotnej absorbcji promieniowania słonecznego a tym samym redukcji promieniowania dochodzącego do powierzchni ziemi. Ponadto cząsteczka sadzy wypromieniowuje pochłoniętą energię w postaci ciepła. Dlatego, jeśli aerozol tego typu znajduje się w chmurze powoduje on zmniejszenie zachmurzenia - powoduje emisje ciepła i ogrzewa powietrze, krople wody oraz kryształki lodu tworzące chmury, prowadząc do ich odparowania. Gdy taki aerozol znajduje się poniżej podstawy chmury, sprzyja z kolei wzrostowi zachmurzenia poprzez ogrzewanie powietrza i jego szybsze unoszenie w górne warstwy atmosfery, gdzie powietrze się schładza i kondensuje.
Przeciwieństwem sadzy jest aerozol zawierający znaczne ilości siarczanów, który tworzy się w atmosferze w wyniku reakcji chemicznych. Ma on właściwości rozpraszania i odbicia promieniowania, a w wysokich warstwach atmosfery, do kierowania promieniowania słonecznego z powrotem w kosmos. Taki efekt nazywany jest ujemnym wymuszaniem radiacyjnym i oznacza, że Ziemia traci więcej energii na rzecz przestrzeni niż otrzymuje od Słońca, a to z kolei powoduje ochłodzenie. Natomiast przy wzroście temperatury mamy do czynienia z dodatnim wymuszeniem radiacyjnym – czyli ociepleniem się klimatu (1).
Na bilans promieniowania w atmosferze bez wątpienia ma wpływ skład aerozoli. Zmiany klimatu objawiają się w wielu regionach powodując m.in. zmiany struktury i częstości występowania opadów powodując susze, które w przypadku wystąpienia gwałtownych wyładowań atmosferycznych mogą prowadzić do naturalnych pożarów lasów, co zaobserwowano ostatnio w Ameryce (Stany Zjednoczone), Australii oraz w Europie (Hiszpanii i Portugalii). Pożary są znacznym źródłem emisji aerozoli (głównie pyłu) do atmosfery. Dlatego mogą one mieć istotny wpływ na zmiany klimatu na obszarze całych kontynentów, a te z kolei mogą przyczynić się do powstawania aerozoli.
W wielu regionach Świata obserwowany jest wpływ zmian klimatu na wydłużanie się okresów wegetacyjnych. Może to powodować wzrost emisji naturalnych aerozoli, gdyż znaczna część wtórnego aerozolu powstaje m.in. w wyniku kwitnienia i pylenia roślin oraz utleniania naturalnych związków emitowanych z lasów, takich jak olejki eteryczne czy żywice. Te naturalne aerozole wpływają również na powstawianie innego zanieczyszczenia powietrza - ozonu. Sprzyja mu także słoneczna pogoda (wzrost promieniowania) i wysokie temperatury. Dlatego problem z nadmiernymi stężeniami ozonu występuje głównie latem.
Jednym z naturalnych i dominujących źródeł aerozoli powodujących szybkie i zauważalne zmiany w jakości powietrza i klimacie są erupcje wulkanów. Wprowadzają one do atmosfery znaczne ilości pyłu, związków siarki oraz dwutlenku węgla. W przypadku tych źródeł, to właśnie aerozol siarczanowy a nie pył zawieszony czy dwutlenek węgla ma istotny wpływ na klimat. Ze względu na swoje niewielkie rozmiary ten typ aerozolu znacznie dłużej (nawet do roku) niż inne aerozole pozostaje w atmosferze, skutecznie rozpraszając docierające promieniowanie słoneczne.
Aerozole, naturalne i antropogeniczne, mają istotny wpływ także na zdrowie, w szczególności pył zawieszony oraz alergeny. Z jednej strony zmiany klimatu, między innymi poprzez wydłużenie sezonu wegetacyjnego oraz okresów kwitnienia wielu gatunków roślin, mogą istotnie zmienić zarówno warunki tworzenia się jak i emisji bioaerozoli, zaś z drugiej, emisja aerozoli związana z działalnością człowieka oraz pochodząca ze źródeł naturalnych wprowadza do atmosfery znaczne ilości sadzy i pyłu. Aerozole te skutkować mogą wzrostem częstotliwości i nasilaniem się objawów chorób układu krążenia i oddechowego, w tym astmy, chorób alergicznych i kataru siennego (5).
Z tego powodu istotnego znaczenia nabierają działania mające na celu zarówno inwentaryzację emisji aerozoli i ich prekursorów do atmosfery jak i kontrolę źródeł emisji antropogenicznej i podejmowanie działań na rzecz jej redukcji. W Polsce zasadniczym źródłem emisji pyłu drobnego PM2.5 są źródła związane ze spalaniem paliw. To aż 85% całkowitej emisji tego zanieczyszczenia, a największa część tej emisji (ponad 50%) pochodzi ze spalania spalania węgla kamiennego i drewna w gospodarstwach domowych. Udział sektorów przemysłu i energetyki to 23% zaś transport - 10%. Obserwuje się ustabilizowanie wielkości emisji pyłu w ostatnich pomimo znacznych redukcji obserwowanych od roku 1990 (spadek o 11,6%). W przypadku sadzy, tendencje spadkowe emisji nie są widoczne. Przyczyni asie do tego główne źródło emisji transport drogowy i dominacja pojazdów z silnikami wysokoprężnymi (37% emisji pochodzi z transportu drogowego) oraz spalanie węgla i drewna w gospodarstwach domowych (48%) (6).
Podejmowane działania na rzecz poprawy jakości powietrza, obejmujące m.in. zaostrzenie norm jakości paliw stałych wprowadzanych do obrotu w Polsce, wprowadzenie lokalnych zakazów spalania paliw stałych (tzw. uchwały antysmogowe) oraz funkcjonowanie różnych programów i funduszy sprzyjających redukcji emisji w gospodarstwach domowych (m.in. środki na termomodernizację, wymianę pieców na zero lub niskoemisyjne źródła oraz dopłaty do OZE) wskazują na zauważalny trend malejący stężeń pyłu zawieszonego PM10 w atmosferze, szczególnie widocznego od 2011 roku - spadek o 68% (7).
Autor: Krzysztof Skotak, IOŚ-PIB
Materiał pochodzi z Instytutu Ochrony Środowiska – Państwowego Instytutu Badawczego, organizatora projektu Klimada 2.0
Bibliografia:
Climate Change 2013. The Physical Science Basis Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. Intergovernmental Panel on Climate Change 2013
Guy P. Brasseur (2009): Implications of Climate Change for Air Quality. World Meteorological Organization Bulletin nº: Vol 58 (1) – 2009.
USGCRP, 2018: Impacts, Risks, and Adaptation in the United States: Fourth National Climate Assessment, Volume II [Reidmiller, D.R., C.W. Avery, D.R. Easterling, K.E. Kunkel, K.L.M. Lewis, T.K. Maycock, and B.C. Stewart (eds.)]. U.S. Global Change Research Program, Washington, DC, USA, 1515 pp. doi: 10.7930/NCA4.2018
Pyły drobne w atmosferze Kompendium wiedzy o zanieczyszczeniu powietrza pyłem zawieszonym w Polsce [red. Katarzyna Juda-Rezler i Barbara Toczko]. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa, 2016
Carly Ray, Xue Min (2020): Climate Change and Human Health: A Review of Allergies, Autoimmunity and the Microbiome. Int. J. Environ. Res. Public Health 2020, 17, 4814
Krajowy bilans emisji SO2, NOx, CO, NH3, NMLZO, PYŁÓW, METALI CIĘŻKICH I TZO za lata 1990 – 2018. Raport syntetyczny. Ministerstwo Klimatu. Warszawa 2020
Jakość powietrza w Polsce w roku 2019 w świetle wyników pomiarów prowadzonych w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska. Główny Inspektorat Ochrony Środowiska. Warszawa, 2020