O smogu, aerozolu i ozonie

Panie Profesorze, chciałam zapytać o niedawną sytuację ze smogiem, który dokuczał Warszawiakom. Czy faktycznie był tak niebezpieczny dla zdrowia mieszkańców i codziennej egzystencji w mieście?

Nie mogę niestety jednoznacznie i autorytatywnie odpowiedzieć na to pytanie. Więcej na temat zagrożeń zdrowia smogiem mają do powiedzenia lekarze oraz toksykolodzy. Mogę jedynie powiedzieć, że wszystkie badania wskazują, że oddychanie powietrzem, w którym znajdują się różnego rodzaju toksyczne związki chemiczne jest niebezpieczne dla zdrowia. Duża część zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery zanieczyszczeń znajduje się w pyle zawieszonym (PM), ale część z nich jest również obecna w fazie gazowej, chodzi oczywiście o te najbardziej lotne. Mniej lotne zanieczyszczenia mogą się osadzać na pyle, lub w trakcie wtórnych procesów chemicznych może powstawać z nich PM. Fakt że żyjemy w środowisku w którym stężenia pyłu zawieszonego są bardzo duże jest dla nas niekorzystne. Przykład Londyńskiego smogu (smogu siarkowego) obrazuje to najlepiej.

W latach pięćdziesiątych w Londynie bywały bardzo duże stężenia PM w powietrzu. Występowała duża śmiertelność, która się świetnie korelowała z zawartością związków siarki w powietrzu, znajdującymi się w ziarnach PM. Żeby powstrzymać to zjawisko, wprowadzono regulacje, które ten stan zmieniły. Pomimo powtarzających się później smogowych incydentów, ich zakres nie był już taki duży i śmiertelność także się znacznie zmniejszyła. Obecnie w Londynie nie ma już zjawisk smogowych o takim natężeniu. Zostały one wyeliminowane przez odpowiednie regulacje prawne, które później były skrupulatnie przestrzegane, można śmiało powiedzieć wymuszane.

Jakie czynniki u nas są sprawcami zanieczyszczenia powietrza w miastach i poza nim?

To, z czym mamy do czynienia w Polsce, jest mieszaniną smogu związanego z emisją zanieczyszczeń z rur wydechowych samochodów oraz tak zwaną emisją niską, czyli emisją z gospodarstw domowych w których pali się węglem lub materiałami palnymi mimo, że mają one niską wartość opałową. Używa się również dosyć prymitywnego sposobu spalania. To jest zagadnienie inżynierskie – jak spalać węgiel, żeby powstawało jak najmniej pyłu zawieszonego? Można budować takie kotły, które zmniejszą emisję PM. Można również przechodzić z węgla na inne paliwa kopalne, przede wszystkim na gaz ziemny, co jest najbardziej zalecane. Wtedy zmniejsza się radykalnie emisja pyłu oraz CO2. Emisja niska jest z pewnością bardzo istotnym elementem zanieczyszczenia, myślę, że w części miast w Polsce, szczególnie na południu przeważa. Poza tym, trzeba dodać, że do uzyskania dużych stężeń PM w powietrzu potrzebne są szczególne warunki meteorologiczne. Warszawa jest rzadko dotykana smogiem, choć w tym roku był potężny incydent smogowy, bodaj w styczniu, szeroko opisywany przez media. Warszawa leży na płaskiej przestrzeni, i wiatry wydmuchują z miasta zanieczyszczenia. Miasto produkuje zanieczyszczenia, ale są one rozcieńczane powietrzem oraz wydmuchiwane poza obszar miasta. Jeśli chodzi o emisję niską, to kominy domów mieszkalnych znajdują się jedynie zwykle kilkanaście metrów nad powierzchnią gruntu, w związku z tym nie ma rozproszenia zanieczyszczeń jak w przypadku kominów przemysłowych. Wtedy to, co z komina jest emitowane dotyka najbardziej mieszkańców. Najbardziej narażeni są ci, którzy palą odpadami. Wychodząc na zewnątrz, znajdują się w kłębach dymu, jeśli nie swojego, to emitowanego z komina sąsiada. To właśnie dotyka południe Polski, miasta które są w kotlinach, gdzie powietrze jest zastałe. Nie ma tam przewietrzania. W Warszawie czy Gdańsku mało jest incydentów smogowych, chociaż w okolicznych wsiach i miasteczkach wszyscy palą podobnie jak w Żywcu czy też w Zakopanem.

Polska w różnego rodzaju rankingach czystości powietrza plasuje się niestety w czołówce krajów mających wysokie stężenie szkodliwych substancji. Co tak naprawdę powinniśmy robić, żeby podnosić jakość naszego powietrza?

Myślę, że przede wszystkim musi nastąpić istotna zmiana jeśli chodzi o ogrzewanie domów wolnostojących, jednorodzinnych. Duże elektrociepłownie oczywiście także są producentami zanieczyszczeń, jednak na znacznie mniejszą skalę w porównaniu z ilością wyprodukowanej energii. Produkują znacznie czystszą energie w porównaniu z podmiotami, które palą w piecach na przykład gałęziami, miałem węglowym i przy okazji spalają jeszcze butelki plastykowe itp., co jest szczególnie niebezpieczne. Czyli na przykład, zmiana systemu ogrzewania, rozprowadzanie centralnie energii, tak jak w Warszawie, gdzie mamy dwie duże elektrociepłownie miałaby wpływ na jakość powietrza.

W Warszawie nikt już w zasadzie nie pali w piecach, lub robi się to w bardzo ograniczonej ilości domów. Incydenty smogowe w Warszawie są zatem wynikiem napływu zanieczyszczeń z zewnątrz, z obrzeżnych miasteczek. W sytuacji w której powietrze jest mało „ruchliwe” i „przytłoczone” do ziemi, powstaje silny incydent smogowy. W wielu miasteczkach na południu, w Zakopanym, w Żywcu lub Rabce, która ze względu na jakość powietrza przestaje być miejscowością uzdrowiskową, nie ma centralnych systemów grzewczych jakie są w niektórych dużych miastach. Tymczasem i w tych miejscach każdy zimą musi się ogrzać. To czym i jak palą mieszkańcy w piecach zależy od możliwości finansowych, szczególnie osoby biedne, oszczędzają na materiałach opałowych, kupując najgorszej jakości materiały opałowe lub palą np. odpadkami. Elektrociepłownie nie spalają tego typu materiałów, mają specjalne filtry i urządzenia które usuwają zanieczyszczenia. Inne kraje, które z problemami smogowymi się borykały, w pewnym momencie zakazały używania np. kominków w domach, nie można było w nich palić. Po prostu zostało to zakazane, tak właśnie zrobiono w Anglii. Czyli zmieniono technologię ogrzewania.

A czy są inne źródła energii, które moglibyśmy wykorzystywać bez takiego zanieczyszczania środowiska?

Czyste źródła energii są oczywiście znane, ale i one mają pewne wady. Na wszystkie się w pewnym stopniu narzeka. Na świecie w dalszym ciągu dominuje pozyskiwanie energii ze spalania kopalin. Jakich paliw kopalnych byśmy nie używali, to one będą wpływały na emisję dwutlenku węgla, zwiększając jego stężenie w powietrzu, zwiększamy problem globalnego ocieplenia. Ten temat w krajach zamożnych jest ciągle poruszany, ponieważ tam już pozbyto się problemów związanych z emisją niską. Wprowadzano zakaz palenia śmieciowych substancji w prymitywnych piecach i tego się bardzo mocno przestrzega. Należy też dodać, że działania które mają wspomagać takie zakazy są kosztowne, gdyż należy wymieniać stare piece na gazowe lub wybudować większe elektrociepłownie w miastach, bądź stworzyć cała nową gałąź przemysłu energetycznego. Można zatem stosować inne źródła energii, które są znane, wszystko to jednak kwestia pieniędzy. Na przykład elektrownie atomowe. Wokół nich jest zawsze wiele kontrowersji, mają wielu przeciwników, ponieważ ewentualne katastrofy wydarzające się w takich elektrowniach są bardzo niebezpieczne dla ludzi. Choć ten margines błędu został mocno ograniczony i zmniejszony w ciągu ostatnich lat. I są takie kraje jak Francja, które używają powszechnie elektrowni atomowych. W niektórych krajach, takich jak Niemcy czy Szwecja pewne ruchy polityczne wymusiły odchodzenie od tego typu źródeł energii, tam się zamyka elektrownie atomowe. Trzeba też uczciwie dodać, że współczesne społeczeństwa dobrobytu nie są skłonne ograniczać swoich apetytów energetycznych. A to byłby jeden z bardzo istotnych sposobów na ograniczenie smogu. Źródła paliw nie zmieniły się w ciągu dwustu lat, natomiast uległa zmianie liczba ludności jak również następuje wyraźne zwiększenie zamożności. Żyjemy w świecie konsumpcyjnym, musimy te dobra wyprodukować i na dodatek cały czas dążymy do ich wymiany na nowsze, lepsze etc. Kiedyś się rzeczy naprawiało, chodziło z butami do szewca, dzisiaj się kupuje nowe. Jest to znacznie wygodniejsze i tańsze. To wszystko wpływa na zanieczyszczenie środowiska etc. No, ale to są już innego rodzaju zagadnienia, co zrobić żeby ludzie nie chcieli konsumować? Należałoby ograniczyć apetyt konsumpcyjny, tworzyć społeczeństwa, które nie są konsumpcyjne. Nie wydaje się to, póki co, realistyczne.

Zmieniając nieco temat, to jakiego rodzaju ekspertyzy dla przemysłu wykonuje Pana grupa badawcza?

Ze względu na to, że przez wiele lat w badaniach naukowych używałem pewnych technik analitycznych, które są bardzo użyteczne w przemyśle, zwracają się do nas różni potencjalni klienci, którzy potrzebują takich technik w swojej pracy. Mam tu na myśli chromatografię gazową w połączeniu ze spektrometrią mas jak również chromatografię cieczową. To są fundamentalne techniki analityczne, których używa się w wielu gałęziach przemysłu. Techniki te dedykowane są do analizy mieszanin związków organicznych. Związki organiczne dominują we współczesnej chemii, jednocześnie praktycznie wszystkie gałęzie przemysłu chemicznego w dzisiejszych czasach nie poradzą sobie bez chemii analitycznej. Analiza mieszanin związków organicznych jest po prostu niezbędna. Choćby przemysł petrochemiczny, jego głównym produktem są frakcje z destylacji ropy naftowej – mieszaniny węglowodorów.

Kolejna gałąź przemysłu, która nie może obejść się bez technik chromatograficznych, to przemysł farmaceutyczny. Nieomal wszystkie substancje czynne, które są w lekach, to związki organiczne. I te wszystkie związki wymagają analizowania. Są to analizy mówiące o jakości produktów, pozwolą powiedzieć, co się stanie jeśli produkt będzie się starzał etc. To jest wielka wiedza w ramach przemysłu farmaceutycznego. Kolejna gałąź, to przemysł chemii kosmetycznej oraz środków czystości, wszędzie tam używa się związków organicznych. Ostatnio ze względu na to, że ludzie mocno interesują się zagadnieniami biochemicznymi i biomedycznymi chromatografia cieczowa jest coraz bardziej popularna. Dążymy do przedłużania młodości, więc jak chcemy badać białka, enzymy etc. to trudno jest znaleźć inne techniki niż chromatografię.

Jakie projekty realizuje obecnie Pana grupa?

Takim podstawowym projektem, który wynika z moich naukowych zainteresowań jest to projekt dotyczący badania aerozoli, tak zwanych wtórnych aerozoli organicznych. Badamy ich skład oraz to jak produkty, które w nich powstające reagują później w atmosferze. Wtórne aerozole organiczne to grupa aerozoli, która jest najpotężniejsza jeśli chodzi o atmosferę. Powstanie większości z nich jest skutkiem reakcji chemicznych; emitowane z powierzchni Ziemi do atmosfery związki organiczne są utleniane. Większa część emisji związków organicznej do atmosfery, to emisja biogeniczna, czyli emisja, która ma charakter naturalny, emitowana przez rośliny. Te związki są utleniane w atmosferze. Uproszczając, utlenianie powoduje, że do związku chemicznego, na przykład do węglowodoru wbudowywane są atomy tlenu. Czyli na początku był węglowodór a później jako produkt mamy, jakąś jego tlenową pochodną – aldehyd, keton, alkohol, kwas, dwu-kwas, keto-kwas, keto-alkohol etc. Efektem utleniania jest zatem zdecydowany spadek prężności pary prekursora, czym więcej atomów tlenu w związku organicznym, tym jego prężność pary będzie niższa. To powoduje, że przy pewnym stężeniu taki związek chemiczny będzie mógł przejść z fazy gazowej do fazy ciekłej. Będzie się mógł wkroplić i powstanie ziarenko aerozolu. Jest też inna koncepcja, która mówi, że dochodzi do absorpcji emitowanych do atmosfery związków chemicznych na istniejącym już ziarenku aerozolu.

Można to rozumieć w następujący sposób: organiczne związki chemiczne, które mają dużo grup tlenowych, zwykle są polarne, tlen będzie powodował powstawanie grup typu hydroksylowa, kwasowa etc. To spowoduje, że związki te są łatwo rozpuszczalne w wodzie. Będą wnikały do małych drobinek wody, w ten sposób powstanie wtórny aerozol. Bez względu na to czy proces powstawania aerozolu ma charakter homogeniczny czy heterogeniczny, aerozole będą wpływały na procesy radiacyjne dotyczące Ziemi. Aerozol rozprasza promieniowanie, może go odbijać, może go absorbować. Zatem jest jednym z uczestników czegoś, co się nazywa efektem cieplarnianym, zjawiska istotnego w procesie globalnego ocieplenia. Jaki jest udział aerozoli w bilansie radiacyjnym Ziemi i jak ten udział może się zmieniać, jest zatem bardzo istotne. Obecnie procesy powstawania wtórnych aerozoli organicznych są bardzo silnie badane, chcemy wiedzieć jak dochodzi do powstania wtórnego aerozolu, jakie są jego składniki, jak zachodzi proces starzenia się aerozolu. Znajomość produktów tworzących wtórny aerozol ma też istotne znaczenie toksykologiczne. Powstałe tlenowe związki organiczne mogą być szkodliwe dla zdrowia. Aerozole miejskie mają powiązanie z problemem smogu. Jest również pewne połączenie między problemem smogu a problemami globalnymi.

A co z aerozolami używanymi w wyrobach przemysłu kosmetycznego? Czy maja wpływ na zmiany klimatyczne?

Aerozole używane w dezodorantach nie mają oczywiście wpływu na smog. Stąd pewnie dziwi się pani czemu jest ich mniej w sprzedaży? Do aktywowania zawartości z perfum, dezodorantów etc. używano pewnych związków chemicznych, które powodowały, że powstawał aerozol. Te związki chemiczne zwane są freonami.

W latach 70-tych postawiono hipotezę, że niszczą one ozon w stratosferze. Ozon ma dwa oblicza, jedno dobre, drugie złe. „Zły” ozon, który powstaje w wyniku utleniania węglowodorów przy powierzchni ziemi, jako silny utleniacz atakuje człowieka oraz świat roślinny i zwierzęcy, ale również obiekty materialne. Jest także „dobry” ozon, bo gdyby nie ozon, nie istniałoby życie na Ziemi, ponieważ do jej powierzchni docierałoby krótko falowe promieniowanie ultrafioletowe. Jest to promieniowanie, które niesie tyle energii, że może łatwo zrywać wiązania chemiczne, w związku z tym uszkadzałoby DNA. Tymczasem ozon je odfiltrowuje. W atmosferze ziemskiej na wysokości mniej więcej 10 kilometrów a później wzwyż do 60 kilometrów znajduje się tak zwana warstwa ozonowa która ochrania powierzchnię Ziemi. Jest naturalnym filtrem dla promieniowania ultrafioletowego. Trochę takiego promieniowania się przedziera, wiemy to z tego, iż można się przysłowiowo „spalić” na słońcu. Spalenie na słońcu to jest proces, w którym następuje zerwanie wiązań chemicznych. Ten ozon ma niebagatelne znaczenie dla cywilizacji. Zaczęto się obawiać, że emitowane do powietrza freony będą go niszczyć. W 1986 roku po wielu badaniach i analizach, znaleziono takie miejsce, gdzie ozon został bardzo mocno „zjedzony” w stratosferze, takie zjawisko nazywa się dziura ozonowa. Dziura ozonowa pojawia się w odpowiednim czasie nad powierzchnią Antarktydy. To odkrycie było dużym zaskoczeniem. Zrobiono wiele bardzo kosztownych badań, żeby zrozumieć powstałe zjawisko. To dało odpowiedź, że ozon jest niszczony przez związki, którymi się rozpryskiwało substancje w powietrze. Podpisano protokół Montrealski, który zakazywał używania tych związków. Zrobiono to rozsądnie, różne kraje w różnym czasie miały wycofywać się z ich używania. Bogate kraje wcześniej, biedniejsze później. Niektóre z freonów, nawet te najgroźniejsze, mogą być używane, w bardzo wąskim zakresie, w medycynie, gdyż trudno jest je zastąpić. Natomiast w przemyśle zostały wycofane. Pojawiły się na ich miejsce zamienniki.

Prof. Tomasz Gierczak

,,To, z czym mamy do czynienia w Polsce, jest to mieszanina smogu związanego z emisją powietrza z rur wydechowych samochodów oraz tak zwana emisja niska, czyli emisją z gospodarstw domowych w których pali się węglem lub materiałami palnymi, które są zakazane.”