Smog – Rodzaje, normy, źródła zanieczyszczeń

Słowo smog pierwszy raz zostało użyte w Londynie na początku XX wieku jako zlepek wyrazów "smoke" (ang. dym) i "fog" (ang. mgła). Oznaczało kombinację dymu i dwutlenku siarki będącą rezultatem spalania węgla w domowych piecach oraz produkcją przemysłową w fabrykach.

Aktualnie gdy mówimy o smogu, mamy na myśli mieszaninę różnego rodzaju zanieczyszczeń powietrza. Głównymi przyczynami smogu jest: spalanie paliw kopalnych, za równo w indywidualnych domostwach w celu ogrzania jak również w przemyśle, nieodpowiednie spalanie śmieci, transport samochodowy, kolejowy  oraz morski, smog fotochemiczny powstały w wyniku reakcji chemicznych z innych związków. Smog może powodować szereg szkodliwych dla zdrowia człowieka chorób. Co więcej, w 2013 roku Światowa Organizacja Zdrowia zaliczyła pył zawieszony (główny składnik) do grona czynników kancerogennych. Mieszanina zanieczyszczeń wpływa również negatywnie na ekosystem.

Podział zanieczyszczeń

Podział zanieczyszczeń występujących w powietrzu tworzących smog, wyróżnionych według kryteriów określonych przez UE:

• Ocena pod względem ochrony zdrowia:
  1. dwutlenek siarki (SO₂)
  2. dwutlenek azotu (NO₂)
  3. tlenek węgla (CO)
  4. benzen (C₆H₆)
  5. ozon (O₃)
  6. pył drobny PM10 (o średnicy do 10µm)
  7. pył drobny PM2,5 (o średnicy do 2,5 µm)
  8. metale ciężkie: ołów (Pb), arsen (As), nikiel (Ni), kadm (Cd) oznaczane w pyle PM10
  9. benzo(a)piren oznaczany w pyle PM10
• Ocena pod względem ochrony roślin:
  1. dwutlenek siarki (SO₂)
  2. tlenki azotu (NO_x)
  3. ozon (O₃)

Skład, źródła, normy i szkodliwość smogu

Poniżej znajduję się lista głównych zanieczyszczeń powietrza występujących w smogu z dokładniejszym opisem składu, źródeł, wpływu na zdrowie człowieka, oddziaływania na rośliny, zwierzęta oraz norm. W przypadku norm jeśli dane są dostępne, podaje wartości dla:

• Normy polskiej.
  
• Normy zalecanej przez Światową Organizację Zdrowia - World Health Organization (WHO).
• Normy Agencji Ochrony Środowiska  - The United States Environmental Protection Agency (EPA). Dla niektórych zanieczyszczeń agencja wyróżnia dwa standardy (dwie wartości):
  1. primary standard - standard pierwszy zapewnia ochronę zdrowia, włączając ochronę osób "wrażliwych" jak astmatyków, dzieci i osób starszych
  2. secondary standard - standard drugi zapewnia ochronę dobra wspólnego, włączając w to ochronę przed zmniejszoną widocznością, szkodami wśród zwierząt, plonów, roślin oraz budynków

Pył drobny (zawieszony) PM10 i PM2,5

PM10 to mieszanina stałych i ciekłych cząstek o średnicy mniejszej od 10 µm (mikrometr - jedna tysięczna milimetra) bądź w przypadku PM2,5 mniejszych od 2,5 µm zawieszonych w powietrzu w postaci aerozolu. Dla porównania średniej grubości ludzki włos ma przekrój 70 µm. Stężenie pyłów liczymy w mikrogramach na metr sześcienny [µg/m³].

Źródło

Pył drobny jest emitowany bezpośrednio  jak również jest formowany w atmosferze poprzez reakcje tlenków azotu (rodzina gazów zawierająca m.in. NO i NO₂), amoniaku (NH₂ ) bądź lotnych związków organicznych (VOCs). Poniżej źródła bezpośrednie:

Antropogeniczne (wynik działalności gospodarczej człowieka):

• spalanie paliw, w tym niska emisja czyli spalanie w piecach węgla słabej jakości oraz śmieci
• zakłady przemysłowe
• ruch drogowy, w szczególności pojazdy z silnikami wysokoprężnymi (diesle)
• pył pochodzący z zużycia opon, hamulców, asfaltu

Naturalne:

• pył wulkaniczny
• sól morska
• naturalnie występujące pyły

Szkodliwość

Cząsteczki pyłu PM10 trafiają do górnych dróg oddechowych oraz do płuc. Pył PM2,5 jest na tyle mały, że uczestniczy w wymianie gazowej, czyli  trafiając do płuc dostaje się do pęcherzyków powietrznych a stamtąd bezpośrednio do krwiobiegu. Dlatego pył PM2,5 uważa się za groźniejszy, gdyż ma większą łatwość przenikania w głąb organizmu pokonując barierę powietrze - krew.

Ekspozycja na drobny pył może powodować:

• przedwczesną śmierć osób z chorobami serca bądź płuc
• nieregularną pracę serca, ataki serca
• pogorszenie funkcji płuc np. trudności z oddychaniem, zadyszka
• podrażnienie dróg oddechowych, kaszel
• nasilenie objawów astmy

Osoby z chorobami serca bądź płuc, osoby starsze oraz dzieci są szczególnie narażone na niekorzystny wpływ pyłów zawieszonych.

Duże stężenie pyłów PM2,5 znacząco zmniejsza widoczność tworząc charakterystyczną "brudną" mgłę.

Pyły są zanieczyszczeniami transgranicznymi czyli mogą być przenoszone na duże odległości (szczególnie lżejsze pyły PM2,5) a następnie osiadać na ziemi i wodzie. W zależności od składu chemicznego pyłu, może on oddziaływać na ekosystem:

• wpływać na kwaśność jezior i rzek
• zaburzać równowagę składników odżywczych w wodach przybrzeżnych i dużych dorzeczach
• zmniejszać ilość składników odżywczych w glebie
• uszkadzać wrażliwe lasy i uprawy
• wpływać na naturalne zróżnicowanie ekosystemu
• przyczyniać się do kwaśnych deszczy

Normy

Dla pyłu PM10

Polska

• poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 40 µg/m³
• poziom dopuszczalny stężenia średniego 24-godzinnego: 50 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 35 razy w roku)
• poziom informowania stężenia średniego 24-godzinnego: 200 µg/m³
• poziom alarmowy stężenia średniego 24-godzinnego: 300 µg/m³

Zalecana przez Światową Organizację Zdrowia (WHO)

• norma stężenia średniorocznego: 20 µg/m³
• norma stężenia średniego 24-godzinnego: 50 µg/m³

Agencja Ochrony Środowiska (EPA)

• poziom dopuszczalny stężenia średniego 24-godzinnego: 150 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 1 raz w roku) (standard pierwszy i drugi)

Dla pyłu PM2,5

Polska

Poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego:

• w latach 2015 - 2019: 25 µg/m³
• od roku 2020: 20 µg/m³

Zalecana przez WHO

• norma stężenia średniorocznego: 10 µg/m³
• norma stężenia średniego 24-godzinnego: 25 µg/m³

Agencja Ochrony Środowiska (EPA)

• poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego:
  1. standard pierwszy: 12 µg/m³
  2. standard drugi: 15 µg/m³
• poziom dopuszczalny stężenia średniego 24-godzinnego: 35 µg/m³ (standard pierwszy i drugi)

Polski poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego dla PM10 jak i PM2,5 wypada bardzo źle na tle wartości zalecanej przez Światową Organizację Zdrowia oraz normy EPA. Dla pyłu do 10 mikrometrów wartość WHO jest dwa razy mniejsza od polskiej (20 do 40 µg/m³). Dla pyłu do 2,5 mikrometrów dopiero w 2020 osiągniemy poziom 20 µg/m³ podczas gdy WHO zaleca 10 µg/m³ . Oczywiście norma to jedno, a nieprzekraczanie jej druga sprawa. Poniżej wykresy (dla PM10 i PM2,5) prezentujące dane jednej ze stacji w Krakowie na przestrzeni 3 lat z podziałem na średnie wartości miesięczne. Dodatkowo zaznaczone poziomy dopuszczalne średnioroczne polskie i normy zalecane przez WHO.

Tlenki siarki (SO_x)

Rodzina gazów w skład której wchodzą dwutlenek siarki (SO₂) oraz tritlenek siarki (SO₃). Emitowane głównie podczas spalania paliw zawierających siarkę - np. w ogrzewaniu, produkcji energii, transporcie. Mniejszym źródłem są procesy pozyskiwania metali z rud. Wulkany są największym naturalnym źródłem tlenków siarki. Tlenki siarki (SO_x) mogą reagować z innymi związkami chemicznymi w powietrzu tworząc pył drobny (PM).

Szkodliwość dwutlenku siarki (SO₂)

Krótka ekspozycja na SO₂ może negatywnie wpływać na układ oddechowy powodując trudności w oddychaniu. Narażone są szczególnie osoby starsze, dzieci oraz astmatycy. Pył drobny uformowany z tlenków siarki dostając się do płuc może powodować kolejne problemy zdrowotne.

Tlenki siarki mogą powodować uszkodzenie liści oraz zmniejszać szybkość wzrostu roślin. Tworzą kwaśne deszcze. Reagując z innymi cząsteczkami mogą tworzyć drobny pył skutkujący mgłami.

Normy dwutlenku siarki (SO₂)

Polska

• poziom dopuszczalny stężenia 24-godzinnego: 125 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 3 razy w ciągu roku)
• poziom dopuszczalny stężenia średniego 1-godzinnego: 350 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 24 razy w ciągu roku)
• poziom alarmowy stężenia średniego 1-godzinnego: 500 µg/m³

Zalecana przez WHO

• norma stężenia średniego 24-godzinnego: 20 µg/m³
• norma stężenia średniego 10-minutowego: 500 µg/m³

Agencja Ochrony Środowiska (EPA)

• poziom dopuszczalny stężenia średniego:
  1. 1-godzinnego: 75 ppb ~ 149 µg/m³  (standard pierwszy)
  2. 3-godzinnego: 0,5 ppm ~ 1410 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 1 razy w ciągu roku) (standard drugi)

Ozon (O₃)

Ozon występujący naturalnie w górnych warstwach atmosfery nie jest szkodliwy, a nawet spełnia istotną rolę. Formuje ochronną warstwę, która chroni przed szkodliwym działaniem promieni ultrafioletowych docierających od słońca. Niebezpieczny jest natomiast w przypadku gdy występuje w warstwie przyziemnej. O₃ nie jest bezpośrednio emitowany do atmosfery. Powstaje w wyniku reakcji chemicznych m.in. lotnych związków organicznych (VOCs) oraz tlenków azotu (NO_x) pod wpływem promieni słonecznych, dlatego nazywany jest zanieczyszczeniem wtórnym. Jest głównym sprawcą smogu fotochemicznego. Duże stężenie występuje najczęściej w miastach, gdzie stężenie spalin samochodowych jest wysokie (jedno ze źródeł NO_x), przy słonecznej, gorącej pogodzie, czyli przeważnie latem. Jest przenoszony na duże odległości, dlatego nawet wiejskie tereny znajdujące się w pobliżu miast mogą być zagrożone.

Szkodliwość

Nadmiar ozonu może powodować:

• trudności w oddychaniu
• płytki oddech, ból podczas głębokiego wdechu
• kaszel, podrażnienie gardła
• stany zapalne i uszkodzenia dróg oddechowych
• pogorszenie innych chorób układu oddechowego jak np. astmy, rozedmy płuc, chronicznego zapalenia oskrzeli
• zwiększenie częstotliwości ataków astmy
• zwiększenie podatności płuc na infekcje
• przewlekłą obturacyjną chorobę płuc

Osoby szczególnie narażone na ryzyko to astmatycy, dzieci, osoby starsze, osoby pracujące na zewnątrz.

Ozon ma również negatywny wpływ na rośliny. Zwalnia proces fotosyntezy, spowalnia wzrost, u wrażliwych roślin zwiększa ryzyko: chorób, podatności na insekty, wpływu innych zanieczyszczeń, uszkodzeń od ekstremalnych warunków pogodowych.

Normy ozonu (O₃)

Polska

• poziom dopuszczalny stężenia średniego 8-godzinnego: 120 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 25 dni w ciągu roku)
• poziom informowania stężenia średniego 1-godzinnego: 180 µg/m³
• poziom alarmowy stężenia średniego 1-godzinnego: 240 µg/m³

Zalecana przez WHO

• norma stężenia średniego 8-godzinnego: 100 µg/m³

 Agencja Ochrony Środowiska (EPA)

• poziom dopuszczalny stężenia średniego 8-godzinnego: 0,070 ppm ~ 148 µg/m³ (standard pierwszy i drugi)

Tlenek węgla (CO)

CO jest bezbarwnym, bezzapachowym gazem szkodliwym przy pochłanianiu większej ilości. Tlenek węgla powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych oraz biopaliw. Kiedyś transport drogowy był główną przyczyną powstawania tlenku węgla, ale po wprowadzeniu do masowego użytku katalizatorów samochodowych emisja znacząco spadła.

Szkodliwość

Oddychanie powietrzem z dużą koncentracją CO obniża ilość tlenu, który może zostać przetransportowany przez krew. Bardzo wysoka koncentracja może wystąpić jedynie w pomieszczeniach zamkniętych, doprowadzając do np. zawrotów głowy, splątania, utraty świadomości oraz śmierci.

Podwyższony poziomu tlenku węgla na zewnątrz może wpływać na osoby z problemami serca, które już mają problemy z właściwym rozprowadzaniem tlenu po organizmie. Osoby takie, w przypadku dodatkowego wysiłku fizycznego bądź stresu mogą odczuwać bóle w klatce piersiowej spowodowane zmniejszoną ilością tlenu docierającego do serca.

Normy

Agencja Ochrony Środowiska (EPA)

• poziom dopuszczalny stężenia średniego 8-godzinnego: 9 ppm ~ 11,1 mg/m³ (standard pierwszy)
• poziom dopuszczalny stężenia średniego 1-godzinnego: 35 ppm ~ 43,2 mg/m³ (standard pierwszy)

Poziomy nie mogą być przekroczone więcej niż raz w roku.

Tlenki azotu (NO_x)

Tlenkami azotu określamy mieszaniny tlenku azotu (NO) oraz dwutlenku azotu (NO₂). Są to nieorganiczne gazy powstałe w wyniku połączenia tlenu z azotem. Tlenku azotu powstaje znacznie więcej od dwutlenku azotu, ale w atmosferze utlenia się do NO₂ . Tlenki azotu  powstają w wyniku spalania paliw w procesach przemysłowych, energetycznych bądź w transporcie. Szczególnie dużą ilość tlenków azotu produkowały silniki wysokoprężne starszego typu. W nowszych modelach, spełniające bardziej wymagające normy, sytuacja poprawiła się.

Dwutlenek azotu razem z innymi tlenkami azotu reaguje z innymi związkami w powietrzu formując pył PM oraz ozon.

Szkodliwość dwutlenku azotu (NO₂)

Wysoki poziom dwutlenku azotu głównie podrażnia drogi oddechowe.

Wpływ krótkotrwałej ekspozycji:

• pogarsza choroby płuc, w szczególności astmę, doprowadzając do symptomów takich jak: kaszel, zadyszka, świst, trudność w oddychaniu
• zwiększa szansę potrzeby hospitalizacji bądź wizyty u lekarza

Wpływ długotrwałej ekspozycji:

• zwiększenie szansy rozwoju astmy
• zwiększa szansę rozwoju infekcji

Osoby z astmą, starsze oraz dzieci znajdują się w grupie o zwiększonej podatności na szkodliwe działanie dwutlenku azotu.

NO₂ razem z innymi tlenkami azotu oddziałuje na wodę, tlen oraz inne związki w atmosferze powodując kwaśne deszcze, mające negatywny wpływ na ekosystem. Azotany pochodzące od NO_x tworzą mgłę zmniejszającą widoczność. Tlenki azotu przyczyniają się do eutrofizacji w wodach przybrzeżnych.

Normy dwutlenku azotu (NO₂)

Polska

• poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 40 µg/m³
• poziom dopuszczalny stężenia średniego 1-godzinnego: 200 µg/m³ (przekroczenie dopuszczalne maksymalnie 18 razy w ciągu roku)
• poziom alarmowy stężenia średniego 1-godzinnego: 400 µg/m³

Zalecana przez WHO

• norma stężenia średniorocznego: 40 µg/m³
• norma stężenia średniego 1-godzinnego: 200 µg/m³

Agencja Ochrony Środowiska (EPA)

• poziom dopuszczalny stężenia średniego 1-godzinnego: 100 ppb ~ 203 µg/m³ (standard pierwszy)
• poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 53 ppb ~ 107 µg/m³ (standard pierwszy i drugi)

Benzo(a)piren (C₂₀H₁₂)

Związek organiczny należący do grupy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Podczas badania oznacza się go w pyle PM10.

Powstaje w wyniku niekompletnego spalania rożnych paliw. Głównym źródłem jest spalanie paliw kopalnych, ze szczególnym uwzględnieniem niskiej emisji czyli spalania złej jakości węgla lub odpadów w przydomowych piecach, kominkach bądź kotłowniach. Przemysł oraz transport samochodowy również ma swój udział w produkcji benzo(a)pirenu. Występuje w dymie papierosowym.

Szkodliwość

Benzo(a)piren jest substancją silnie toksyczną. Wykazuje działanie kancerogenne.

Normy benzopirenu

Polska

• poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 1 ng/m³

Ołów (Pb), Arsen (As), Nikiel (Ni), Kadm (Cd)

Głównym źródłem jest spalanie paliw kopalnych, produkcja metali oraz spalanie śmieci.

Główne pochodzenie:

• Arsen (As) - wytapianie metali, spalanie paliw
• Kadm (Cd) - produkcja metali nieżelaznych, spalanie paliw kopalnych, spalanie śmieci, produkcja żelaza, stali, cementu
• Nikiel (Ni) - spalanie oleju opałowego bądź oleju napędowego (ogrzewanie, transport morski, wytwarzanie energii), wydobycie niklu i produkcja pierwotna, spalanie śmieci oraz osadu kanalizacyjnego, produkcja stali, galwanizacja, spalanie węgla
• Ołów (Pb) - spalanie paliw kopalnych, spalanie śmieci, produkcja metali nieżelaznych, żelaza, stali, cementu

Normy

Polska

• Arsen (As):  poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 6 ng/m³ (nanogramy)
• Kadm (Cd):  poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 5 ng/m³ (nanogramy)
• Nikiel (Ni):  poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 20 ng/m³ (nanogramy)
• Ołów (Pb):  poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 0,5 µg/m³ (mikrogramy)

Szkodliwość

Ołów (Pb)

Gdy raz dostanie się do organizmu, ołów jest rozprowadzany po organizmie przez krew i akumuluje się w kościach. W zależności od poziomu stężenia, może wpływać na układ nerwowy, system immunologiczny, działanie nerek, układ rozrodczy, układ krwionośny. Ołów uszkadza zdolność do przenoszenia tlenu przez krew. Niemowlęta i dzieci są szczególnie podatne nawet na ekspozycję niskiego poziomu Pb, który może objawiać się problemami behawioralnymi, problemami z nauką oraz obniżonym IQ. Ołów przyczynia się również do zniszczeń w ekosystemie, obniża produktywność plonów oraz zwierząt

Benzen (C₆H₆)

Organiczny związek chemiczny, należy do grupy węglowodorów aromatycznych. Otrzymywany z ropy naftowej. Bezkolorowy, o słodkim zapachu, odpowiedzialny za specyficznych zapach benzyny. Pali się z łatwością tworząc silnie kopcący płomień. Używany głównie jako składnik pośredni przy wytwarzaniu innych związków chemicznych.  Z powodu wysokiej liczby oktanowej jest ważnym składnikiem paliwa stąd istotnym źródłem jest motoryzacja (silniki benzynowe). Benzen emitowany jest podczas procesów spalania paliw stałych i płynnych oraz w piecach koksowniczych i hutach metali nieżelaznych. Innym źródłem są: stacje paliw, pralnie chemiczne, wytwórnie mas bitumicznych, drukarnie foto-grawiurowe, przemysł (chemiczny, hutniczy, rafineryjny), wytwórnie obuwia i opon.

Szkodliwość

Sklasyfikowany jako kancerogenny dla ludzi.

Normy

Polska

• poziom dopuszczalny stężenia średniorocznego: 5 µg/m³

Smog fotochemiczny (smog letni)

Zanieczyszczenia dzielimy na pierwotne oraz wtórne. Pierwotne to np. te emitowane bezpośrednio z kominów. O nich najczęściej myślimy, gdy słyszymy słowo "smog". Ale jest też drugi rodzaj - zanieczyszczenia wtórne. Nie są emitowane bezpośrednio, powstają za to m.in. w wyniku reakcji chemicznych w atmosferze. Tego typu zanieczyszczeniem jest smog fotochemiczny zwany również smogiem letnim, utleniającym, tak zwany smog typu Los Angeles. Smog fotochemiczny powstaje w wyniku reakcji chemicznych takich związków jak tlenki azotu (NOx) bądź lotne związki organiczne (VOCs) przy współudziale promieni słonecznych. Wynikiem jest w głównej mierze niebezpieczny ozon, dokładnie ozon troposferyczny, czyli zbierający się w dolnej warstwie atmosfery, przy ziemi.

Smog fotochemiczny występuje najczęściej w dużych miastach, o sporym ruchu samochodowym który jest głównym źródłem tlenków azotu, w słoneczne, ciepłe, bezwietrzne dni, czyli najczęściej latem.

Poniżej przykładowy wykres 8-godzinnego średniego stężenia ozonu jednej ze stacji pomiarowej w Krakowie, z podziałem na miesiące w roku 2015. Zaznaczoną linię 120 µg/m³ należy traktować wyłącznie poglądowo gdyż poziom dopuszczalny dotyczy 8-godzinnego uśredniania. Nie ma normy średniorocznej.

Jak widać w miesiącach bardziej nasłonecznionych poziom O₃ znacznie wzrasta.

Źródła w dziale Linki / Źródła