2. ZAGROŻENIA I OCHRONA ATMOSFERY 2.1. Atmosfera

Transkrypt

1 2. ZAGROŻENIA I OCHRONA ATMOSFERY 2.1. Atmosfera Struktura i skład atmosfery Najogólniej atmosfera rozumiana jest jako powłoka gazowa otaczająca powierzchnię planety. Atmosfera występuje praktycznie przy każdym obiekcie Układu Słonecznego, nie tylko na planetach lecz także na innych ciałach (np. na księżycu Saturna Tytanie). Atmosfera ziemska jest to mieszanina gazów, zwana powietrzem, otaczająca powierzchnię Ziemi, o łącznej masie 5, ton. Atmosferę charakteryzuje się przy pomocy takich parametrów, jak: skład powietrza, ciśnienie, temperatura, gęstość, wilgotność oraz kierunek i prędkość przemieszczania się. Wyznaczenie ścisłych granic atmosfery jest skomplikowane, z tego względu, że dolna granica jaką jest powierzchnia lądu lub wody, oznacza tylko różny stan materii, powietrze jest obecne i w glebie i w wodzie. Powoduje to liczne wzajemne zależności pomiędzy atmosferą a hydrosferą lub litosferą. Z drugiej strony najwyższa warstwa atmosfery rozprasza się i płynnie przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. Przy uwzględnieniu tych zaostrzeń można wyróżnić pięć podstawowych warstw atmosfery (rysunek 2.1.).

2 Rysunek 2.1. Pionowy przekrój przez atmosferę Ciśnienie [hpa] 1, ,0 10 6,5 10 2,5 10 4,0 10 4,9 10 6,0 10 1, ,25 3,1 12,4 54,4 280, Wysokość [km] troposfera stratosfera mezosfera jonosfera (termosfera) egzosfera Źródło: opracowanie własne na podstawie [Flis, 1982]. Troposfera jest to warstwa przylegająca bezpośrednio do powierzchni Ziemi. Średnio sięga ona do wysokości 11 km n.p.m., z tym że nad równikiem wynosi około 18 km, a nad biegunem w granicach 8 km. W lecie warstwa podnosi się, natomiast zimą obniża. Troposferę charakteryzują ciągłe zmiany temperatury w cyklu dobowym i rocznym oraz stały spadek temperatury wraz ze wzrostem wysokości, który średnio wynosi 0,64 O K / 100 m (temperatura spada o 1 stopień co 156,25 m). Spadek temperatury zanika (jednakowa temperatura w przekroju pionowym) w cienkiej warstwie izotermicznej zwanej tropopauzą oddzielającej troposferę od kolejnej warstwy stratosfery.

3 Stratosfera jest to warstwa, która zalega troposferę i sięga do wysokości km n.p.m. Temperatura tej warstwy nie podlega fluktuacjom dobowym ani rocznym, natomiast w niższych warstwach charakteryzuje się nieznacznym spadkiem od 200 do 220 O K (-60 do - 50 O C), zaś w wyższych rośnie do wartości 273 O K (0 O C). Fakt ten wynika z intensywnie przebiegających procesów fotochemicznych wyzwalających energię cieplną, w których uczestniczą cząsteczki dwutlenku 0 2 oraz ozonu 0 3. W stratosferze na wysokości km występuje warstwa o znacznym stężeniu cząsteczek 0 3 zwana ozonosferą, która w głównej mierze odpowiedzialna jest za pochłanianie promieniowania nadfioletowego. Ponad stratosferą znajduje się kolejna warstwa termoizolacyjna stratopauza. Mezosfera jest to warstwa znajdująca się między pięćdziesiątym a osiemdziesiątym piątym kilometrem wysokości. Występuje tu stopniowy spadek temperatury do wartości 195 O K. W warstwie tej występuje zjawisko zorzy polarnej. Mezosferę zamyka menopauza, w której temperatura osiąga najniższą wartość w całej atmosferze około 160 O K. (-110 O C). Termosfera to warstwa zalegająca od km do km. Jej temperatura, wskutek pochłaniania nadfioletu przez cząsteczki tlenu, wzrasta wraz z wysokością i osiąga wartość K w górnej granicy. Egzosfera jest najwyższą warstwą atmosfery ziemskiej, położona powyżej 600 km n.p.m. Nazywana także strefą rozpraszania (dyspersji). Wyróżnia się ona tak silnym rozrzedzeniem powietrza, że jego cząsteczki z jednakowym prawdopodobieństwem mogą odrywać się od Ziemi, jak i przyłączać się do niej z przestrzeni międzyplanetarnej. Warstwa ta nie ma górnej granicy i płynnie przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. W zależności od składu chemicznego atmosfery ziemskiej, można ją podzielić na dwie zasadnicze części: homosferę i heterosferę. Homosfera, stanowiąca około 99,99% masy całej atmosfery, rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości około 90 km i cechuje się jednorodnością składu chemicznego (z wyjątkiem pary wodnej). W prawie całym obszarze dostępnym dla pomiarów aerologicznych 1 jednorodną mieszaninę fizyczną składającą się z kilkunastu gazów. suche powietrze stanowi w przybliżeniu Powyżej homosfery, od 80 km nad powierzchnią Ziemi znajduje się heterosfera, która zawiera mniej niż 0,01% całkowitej masy atmosfery ziemskiej. W warstwie tej skład atmosfery ziemskiej i średnia masa cząsteczkowa jej składników ulegają zmianie wraz z wysokością. Heterosfera pełni funkcję filtru, pochłaniając wysokoenergetyczne 1 Aerologia to część nauki o atmosferze ziemskiej do wysokości 30 km.

4 promieniowanie nadfioletowe, które mogłoby zjonizować powietrze i zniszczyć życie na Ziemi.[Strzałko, 1999] Przyjmując za kryterium podziału właściwości fizyczne i chemiczne atmosfery ziemskiej, można ją podzielić na chemosferę i jonosferę. Chemosfera obejmuje troposferę, stratosferę oraz mezosferę i cechuje się identycznym składem oraz przebiegiem procesów hydrodynamicznych. Właściwości tej warstwy określają obecne w niej cząsteczki (np. O 3, O 2 ), wolne atomy (np. H) oraz wolne rodniki (np. OH, HO 2 ). Powyżej 80 km od powierzchni Ziemi znajdują się warstwy powietrza charakteryzujące się występowaniem atomów lub grup atomów obdarzonych ładunkiem elektrycznym (jonów) oraz dużą ilością swobodnych elektronów wybitych z atomów przez wysokoenergetyczne nadfioletowe promieniowanie słoneczne. Ta silnie zjonizowana część atmosfery ziemskiej nosi nazwę jonosfery. Wszystkie składniki atmosfery, z wyjątkiem gazów szlachetnych, ulegają cyklicznej wymianie z innymi geosferami oraz z biosferą. Stanowi to wynik wzajemnego oddziaływania pomiędzy składnikami atmosfery i promieniowaniem słonecznym lub grawitacyjnego opadania. [Strzałko, 1999] Tabela 2.1. Skład powietrza atmosferycznego (powietrze suche) Procent objętości lub liczba Nazwa składnika Symbol cząsteczek powietrza suchego Azot N 2 78,084 % Dwutlenek O 2 20,946 % Argon A 0,934 % Ditlenek węgla CO 2 0,031 % Neon Ne 1, cząsteczek Hel He 5, cząsteczek Metan CH 4 1, cząsteczek Krypton Kr 1, cząsteczek Wodór H, 5, cząsteczek Podtlenek azotu N,O 3, cząsteczek Ksenon XE 8, cząsteczek Tlenek węgla CO 1, cząsteczek Ozon O 3 1, cząsteczek Radon Rn 6, cząsteczek Źródło: [Goody, Walker, 1978]. Atmosfera ziemska stanowi mieszaniną kilku gazów. Ich udział procentowy w powietrzu przedstawia tabela 2.1. Oprócz substancji podanych w tabeli, powietrze zawiera jeszcze jeden bardzo istotny element parę wodną. Jej zawartość wynosi od 0,4 do 4% i ulega ciągłym zmianom, malejąc na ogół od równika ku biegunom.

5 2. 2. Antropogeniczne oddziaływanie na atmosferę i klimat Od ponad 250 lat na Ziemi trwa proces uprzemysłowienia. Jego przejawem są przeobrażenia nie tylko kulturowe, cywilizacyjne, ekonomiczne czy gospodarcze, lecz także coraz częściej dostrzegane zmiany środowiskowe i ekologiczne. Industrializacja przynosi ze sobą szereg zagrożeń powstałych w wyniku emisji substancji zanieczyszczających wszystkie komponenty środowiska, w tym także atmosferę. Obecnie uwagę zwraca się na trzy najistotniejsze obszary zmian zachodzących w atmosferze, wywołanych działaniami człowieka: degradacja powłoki ozonowej na skutek emisji związków zawierających chlor i brom (głównie freony i halony); efekt cieplarniany związany z emisją tak zwanych gazów szklarniowych (głównie CO 2 i CH 4 ); pogorszenie się jakości powietrza w najniższej warstwie troposfery na skutek emisji związków chemicznych (np. tlenki siarki i tlenki azotu) i wywołane tym zjawisko kwaśnych opadów. Oddziaływanie człowieka na atmosferę ma znacznie więcej aspektów. Nie sprecyzowany jest choćby wpływ eksploracji wyższych warstw atmosfery przez samoloty, czy statki kosmiczne. Wpływ tych aspektów na funkcjonowanie całej biosfery jest jeszcze bardzo słabo zbadany. Degradacja warstwy ozonowej Ozon, pod względem objętości i masy, stanowi jeden z najmniej licznych gazów występujących w atmosferze ziemskiej. Będący cząstką składającą się z trzech atomów tlenu (O 3 ) jest gazem o silnym zapachu i bywa używany jako środek dezynfekujący (np. uzdatniający wodę pitną). Zgodnie z normami człowiek może przebywać przez 8 godzin w atmosferze o stężeniu ozonu do 85 ppb 2 (tj. 110 mg/m 3 ). Jeżeli koncentracja gazu jest większa staje się on toksyczny. O ogromnym znaczeniu ozonu w atmosferze decyduje jednak zupełnie inna jego właściwość. Ozon jest podstawowym gazem ograniczającym dopływ do powierzchni Ziemi szkodliwego dla żywych organizmów promieniowania ultrafioletowego Słońca. Absorpcja (pochłanianie) promieni UV zależy od tego, ile molekuł ozonu napotyka promień słoneczny na swej drodze ku powierzchni Ziemi, nie zależy natomiast od miejsca, gdzie to spotkanie 2 ppb cząstek na bilion.

6 nastąpi. W związku z tym, za jednostkę zawartości ozonu w powietrzu przyjęto dobsony 300 dobsonów to wartość typowa dla warstwy ozonowej. Co to oznacza? Gdyby przyjąć, że wszystkie cząstki ozonu nie są rozproszone w całej atmosferze, ale zostały one zgromadzone przy powierzchni ziemi to grubość takiej warstwy wynosiłaby około 3 mm (= 300 Dobsonów). Jeden Dobson odpowiada warstwie o grubości 0,01 mm składającej się z czystego ozonu przy powierzchni gruntu (w warunkach ciśnienia 1013 hpa czyli 760 mm Hg i temperaturze 0 C). Największa zawartość ozonu występuje w warstwie ozonowej, zwanej ozonosferą, na wysokości mniej więcej km (głównie w warstwie km) i waha się w granicach 2, % objętościowych. Pionowy rozkład ozonu obrazuje rysunek 2.2. Rysunek 2.2. Profil stężeniowy ozonu w atmosferze Wysokość [km] Ozonosfera Źródło: [Fahey, 2002]. 0 Ozon, według modelu Chapmana, powstaje na skutek reakcji zwanej dysocjacją fotochemiczną tlenu. Proces ten zachodzi przy udziale promieniowania słonecznego ( nm) i w obecności katalizatora (M). hv O2 O + O O 2 M + O O 3 gdzie: O tlen O 2 ditlen O 3 ozon M katalizator hv kwant energii Rolę katalizatora (M) w tej reakcji pełnią inne cząsteczki mogące unieść uwolnioną energię chemiczną. W rzeczywistości najprawdopodobniej procesy te są znacznie bardziej skomplikowane, chociaż ilość powstających cząsteczek ozonu zależy od koncentracji tlenu i promieniowania krótkofalowego. Promieniowanie to odgrywa podstawową rolę w bilansie ozonu atmosferycznego. Wraz ze spadkiem wysokości natężenie promieniowania maleje, a gęstość powietrza rośnie. W atmosferze istnieje taka warstwa, w której natężenie

7 promieniowania krótkofalowego jest jeszcze wystarczająco duże do powstawania wolnych atomów tlenu, a równocześnie gęstość powietrza dostateczna, aby występowały nieodzowne zderzenia cząsteczek. Są więc szczególnie korzystne warunki do powstawania ozonu. Z obserwacji empirycznych wynika, że najczęściej tworzenie ozonu następuje na wysokości około piętnastu kilometrów, w środkowej i górnej stratosferze. Tutaj ustala się również równowaga pomiędzy ilością powstających i rozpadających się cząsteczek ozonu. Silna absorpcja krótkofalowego promieniowania słonecznego (poniżej 290 nm) przez ozon powoduje między innymi, że temperatura powietrza w stratosferze rośnie. [Czaja, 1998] Oprócz rozkładu pionowego można także zaobserwować rozkład poziomy ozonu na Ziemi. Ze wzrostem szerokości geograficznej ku biegunom, poziom zalegania warstwy ozonowej obniża się, przy czym rośnie w niej ogólna zawartość ozonu. Ilość ozonu jest większa nad Arktyką, niż nad Antarktydą. [Obrębska-Starkel, Starkel, 1991] Ozon pochłania światło zarówno nadfioletowe, widzialne, jak i odpowiadające bliskiej podczerwieni. Absorpcja światła przez ozon kończy się rozpadem jego cząsteczki. Absorpcja ta dotyczy w niewielkim stopniu światła widzialnego i podczerwonego natomiast od długości fali = 350 nm (bliski nadfiolet) rośnie osiągając maksimum około 255 nm, a następnie maleje do około 200 nm. Ma to olbrzymie znaczenie, gdyż jest to promieniowanie zabójcze dla organizmów żywych. Ozon jest filtrem tak skutecznym, że z fotonów o długości fali 250 nm emitowanych przez słońce w zenicie, tylko jeden dociera do powierzchni Ziemi [Niedzielski, Gierczyk, 1992]. Pojawienie się tak zwanych dziur w warstwie ozonu zaobserwował po raz pierwszy, pod koniec lat siedemdziesiątych, J.C. Farman nad stacją Halley Bay na Antarktydzie. Potwierdzenie tego faktu w latach następnych skłoniło naukowców do podjęcia prób wyjaśnienia problemu [Czaja, 1998]. Wyniki obserwacji były coraz groźniejsze. W 1995 roku miało miejsce ogromne zubożenie warstwy ozonowej nad północną i południową półkulą. Jesienią 1995 roku dziura ozonowa nad Antarktydą była większa od terytorium kontynentu i rosła szybciej niż kiedykolwiek w przeszłości. W tym samym roku nad Ameryką Północną, Europą i Rosją wystąpiło rekordowe, lokalne zmniejszenie się ochronnej warstwy ozonowej o 20-30%. W 1996 roku sytuacja uległa pogorszeniu. Międzynarodowa Organizacja Meteorologiczna doniosła o prawie zupełnym unicestwieniu" warstwy ozonowej nad obszarem na południowej półkuli, dwukrotnie większym niż powierzchnia Europy od Uralu do Atlantyku. W Argentynie ogłoszono ostrzeżenie przed promieniowaniem. Nad północną półkulą nastąpiło lokalne 50% zubożenie warstwy ozonowej. [Carley, Spapens, 2000]

8 Początkowo o niszczenie ozonu stratosferycznego oskarżano samoloty ponaddźwiękowe. Długoletnie badania nie potwierdziły tego przypuszczenia. Właściwe przyczyny zanikania ozonu poznali Paul J. Crutze, Mario Mohnie i Sherwoodow F. Rowland. W 1995 roku Szwedzka Królewska Akademia Nauk przyznała im Nagrodę Nobla. Dowiedli oni że za niszczenie ozonosfery odpowiedzialne są przede wszystkim procesy chemiczne z udziałem chloru oraz bromu. Najogólniej zachodzą one według schematu pokazanego na rysunku Rysunek 2.3. Cykl niszczenia ozonu Ditlen (O ) Atom chloru (Cl) Ozon (O ) 2 3 O O Cl O O O Reakcja ClO+O Reakcja Cl+O 3 Destrukcja ozonu O Źródło: [Fahey, 2002]. Atom tlenu(o) O O Cl O Tlenek chloru (ClO) Ditlen (O ) ClO + O Cl + O O + O Cl + O2 ClO + O 3 2 2O Jak wiele innych rodników (X ), chlor (Cl ) jest utleniany przez ozon w stratosferze i tworzy XO (ClO) według reakcji: X + O 3 XO + O 2 O 3 + hv O + O 2 O + XO X + O 2 Ten łańcuch reakcji podczas, którego netto z dwóch cząsteczek ozonu powstają trzy cząsteczki dwutlenku, prowadzi do niszczenia ozonu. Jednak rodnik X inicjujący reakcję (tutaj Cl ) niekoniecznie wraca do cyklu. Cl lub ClO mogą także zostać usunięte wskutek innych reakcji. Tlenki azotu powodują niszczenie rodników ClO, które przechodzą w ClONO 2 i HCl wg reakcji: 3 W tekście przedstawiono schemat niszczenia ozonu w reakcji z chlorem. Jest on jednak analogiczny także dla bromu.

9 ClO + NO 2 + M ClONO 2 + M ClO + NO Cl + NO 2 Cl + CH 4 HCl + CH 3 Procesy chemiczne przebiegające w atmosferze pod wpływem światła słonecznego powodują, że największe ubytki ozonu pojawiają się nad Antarktydą i tylko w czasie antarktycznej wiosny (wrzesień-październik), jak tylko promieniowanie słoneczne zaczyna tam docierać po nocy polarnej. W niektórych latach podobne warunki występują w marcu nad Arktyką, wtedy dziura ozonowa tworzy się nad Antarktydą i Europą Północną. W późniejszych miesiącach chmury polarne zanikają, tlenki azotu są znów dostępne, rodniki chloru zostają usunięte i warstwa ozonowa odbudowuje się. [Uherek, 2005] Jeden atom chloru może spowodować rozpad około cząsteczek ozonu. Naturalna zawartość związków chloru oraz bromu w atmosferze nie przekracza 0,6 ppm. Występują one pod postacią gazów: chlorku metylu (CH 3 Cl), bromku metylu (CH 3 Br) oraz bromoformu (CHBr 3 ). Emitowane są w głównej mierze przez ekosystemy morskie oraz erupcje wulkaniczne. Naturalne emisja chlorku metylu stanowi obecnie około 16% całego chloru występującego w stratosferze. Bromek metylu odpowiada za 27-42% bromu w stratosferze Rozpiętość jest dosyć znaczna ponieważ związek ten posiada także antropogeniczne źródła emisji. (rysunek 2.4.). Udział bromoformu określa się z kolei na 15%, lecz nie są to szacunki zbyt pewne. [Montzka, Fraser, 2003] Rysunek 2.4. Główne źródła bromu i chloru w stratosferze w 1999 roku

10 Źródła chloru chlorek metylu 16% CFC-12 32% CFC-11 23% czterochlorek węgla 23% CFC-113 7% HCFC 5% chloroform 4% inne gazy 1% Emisja naturalna Emisja antropogeniczna Źródła bromu bromoform i inne gazy 16% bromek metylu 27-42% bromek metylu 5-20% halon % halon % inne gazy 4 % Emisja naturalna? Emisja antropogeniczna Źródło: [Fahey, 2002]. Dowiedziono, iż naturalna zawartość choru oraz bromu w atmosferze nie może wpływać w znaczący sposób na powstawanie dziury ozonowej. Potencjał niszczenia ozonu ODP oraz średni czas przebywania w atmosferze (patrz tabela 2.2.) związków pochodzenia naturalnego są niezwykle małe i tym samym nie mogą doprowadzać do tak silnych ubytków ozonu. Odkryto, że głównym sprawcą odpowiedzialnym za zjawisko degradacji ozonosfery są gazy halogenowe. Są to sztucznie wytworzone chloro- lub bromopochodne węglowodorów. Gazy halogenowe, a szczególnie najbardziej rozpowszechnione wśród nich freony, wykorzystuje się w bardzo wielu dziedzinach techniki, ponieważ są nietoksyczne, niepalne, niereaktywne (w troposferze), a ich wytwarzanie jest tanie. Zastosowanie znajdują głównie w przemyśle chłodniczym, jako czynnik chłodniczy w chłodziarkach i zamrażarkach, chłodniach przemysłowych, agregatach wytwarzających wodę lodową oraz do wytwarzania aerozoli. Ponadto, na mniejszą skalę stosuje się je przy produkcji pianek poliuretanowych oraz jako rozcienczalniki. W medycynie freony są traktowane jako substancje pokrywające i

11 leczące rany. Gazy halogenowe, nieaktywne chemicznie w dolnych warstwach troposfery, na drodze dyfuzji mogą przedostawać się do stratosfery. Tam, pod wpływem wysokoenergetycznego promieniowania ultrafioletowego ulegają rozpadowi (fotolizie). Podczas tej reakcji uwolniony zostaje wysoce reaktywny chlor lub brom odpowiedzialne za rozpad ozonu. Opracowano systematykę gazów halogenowych, na podstawie której można wnioskować o ich potencjalnym wpływie na warstwę ozonową. Systematyka ta jest następująca: [Gutkowski, 2003] CFC skrót pochodzący od angielskiej nazwy chemicznej chloro-fluoro-carbons, określa te pochodne węglowodorów, które są w pełni halogenowane. Oznacza to, że wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione innymi pierwiastkami, w tym chlorem, fluorem, bromem. Związki te określa się mianem freonów 4. Są one w największym stopniu odpowiedzialne za degradację ozonosfery; HCFC skrót pochodzący od angielskiej nazwy chemicznej hydro-chloro-fluoro-carbons, określa nie w pełni halogenowane pochodne węglowodorów. Oznacza to, że w cząsteczkach tych związków znajdują się atomy wodoru. Związki te są również odpowiedzialne za niszczenie warstwy ozonowej, lecz w znacznie mniejszym stopniu niż czynniki należące do grupy CFC. Z tej racji okres ich całkowitego wycofywania jest dłuższy, a nawet przejściowo traktowano je jako ekologiczne substytuty czynników należących do grupy CFC. Obecnie w większości państw całkowicie zakazano ich stosowania w nowych instalacjach chłodniczych; HFC skrót pochodzący od angielskiej nazwy chemicznej hydro-fluoro-carbons, określa te pochodne węglowodorów, które nie są w pełni halogenowane, a zarazem nie zawierają w swoim składzie atomów chloru lub bromu. Uznaje się te czynniki za w pełni bezpieczne dla warstwy ozonowej i bardzo stabilne chemicznie; FC skrót pochodzący od angielskiej nazwy chemicznej fluoro-carbons, oznacza pochodne węglowodorów, w których wszystkie atomy wodoru zastąpiono atomami fluoru; HC skrót oznaczający węglowodory. Są to płyny naturalne i dlatego uważa się je za najbardziej ekologiczne czynniki chłodnicze. Przykładami są butan i izobutan. Obok freonów niezwykle groźnymi źródłami chloru w atmosferze są dwa rozpuszczalniki trichloroetan i tetrachlorek węgla, wykorzystywane w przemyśle do 4 Słowo freon jest zarejestrowanym znakiem handlowym należącym do koncernu DuPont wynalazcy tych związków.

12 czyszczenia mechaniki i sprzętu elektronicznego, a także w aerozolach. Oba rozpuszczalniki mają wpływ na niszczenie warstwy ozonowej porównywalny do pięciu najgroźniejszych freonów (CFC 11, 12, 22, 113). Trichloroetan jako pojedyncza cząsteczka wprawdzie nie wpływa tak silnie na warstwę ozonową, jak cząsteczka freonu, gdyż w dużym stopniu ulega degradacji w troposferze, jednak rozpuszczalnik ten był używany w ogromnych ilościach, co powodowało, że jego łączny udział w degradacji warstwy ozonowej sięga 15%. Ograniczenie emisji trichloroetanu powoduje większy spadek stężenia chloru w stratosferze niż redukcja freonów. Wynika to z faktu, że czas połowicznego rozpadu trichloroetanu wynosi 6 lat, natomiast CFC11 60 lat, a CFC lat. Redukcja trójchloroetanu jest o tyle prosta, że dla większości jego zastosowań istnieją zamienniki, mniej groźne dla otoczenia. Czterochlorek węgla używany jest do czyszczenia metali i wytwarzania chlorofluorowęgli. Każda jego cząsteczka jest dwudziestokrotnie bardziej agresywna względem ozonu niż freony i nie rozkłada się w troposferze. Mimo toksyczności jest szeroko stosowany, zwłaszcza w krajach Trzeciego Świata, ze względu na swoją cenę. Jeden kilogram kosztuje jeden dolar, a najtańszego freonu dwa dolary. Wyemitowane gazy nie pozostają w atmosferze na zawsze. Mogą być usunięte w wyniku przemian fizycznych albo ulec chemicznej przemianie. Czas w którym 60% gazu zostanie usunięte lub ulegnie przemianie nazywany jest czasem życia. Jest on różny w zależności od rodzaju związku (tabela 2.2.). Tabela 2.2. Całkowita emisja w 2000 roku, czas rozkładu w atmosferze oraz potencjalna siła rozkładu wybranych chlorowodorowców Źródło: [Fahey, 2002]. Gazy szklarniowe Czas życia [lata] Globalna emisja (naturalna i antropogeniczna) [Gg/rok] Potencjał niszczenia ozonu Chlorowce CFC CFC CFC Tetrachlorometan ,73 HCFC ,02-0,12 Chloroform 5 ~20 0,12 Chlorek metylu 1, ,02 Bromowce Halon ~3 12 Halon ~10 6 Bromek metylu 0, ,38 Bromoform i inne gazy < 1 Dla gazów stanowiących największe źródło chloru i bromu w atmosferze (np. CFC 12,

13 113) okres życia wynosi do 100 lat. Ich chemiczna bierność, tak ceniona w praktyce przemysłowej, decyduje o wielkim niebezpieczeństwie, jakie te związki stwarzają w atmosferze. Zwykłe procesy, jak fotoliza, wymywanie przez deszcz czy utlenianie, które zazwyczaj wystarczają do usuwania śladowych zanieczyszczeń z atmosfery zawodzą w przypadku freonów. Są one po porostu nierozpuszczalne i zupełnie bierne. Brak w nich atomów wodoru, a więc nie ulegają atakowi rodników OH, które są głównymi utleniaczami i czyścicielami atmosfery. Przez to stężenie freonu w atmosferze jeszcze przez długi okres będzie rosnąć. [Więckowski, Więckowska, 1999] Ocenia się, że ubytek 1% ozonu powoduje 2-3% wzrost natężenia promieniowania UVB, który może wpłynąć niekorzystnie na zdrowie ludzkie oraz na inne organizmy żywe. Zwiększenie ilości ultrafioletu docierającego do Ziemi powoduje: konsekwencje zdrowotne, w tym szybsze starzenie się skóry, zwiększenie zachorowalności na różne choroby skóry (w tym raka), narządu wzroku (głównie powstanie katarakty), osłabienie reakcji układu immunologicznego organizmu; zmiany w świecie żywym; ograniczenie produkcji żywności; wzrost specyficznych zanieczyszczeń atmosfery; niszczenie materiałów budowlanych. Ultrafiolet, na przykład szybką degradację polimerów wykorzystywanych w budownictwie, malarstwie lub przemyśle włókienniczym. [Dobrzański i in., 1997] Globalne ocieplenie Klimat na Ziemi zawsze ulegał zmianom. Zaledwie 20 tysięcy lat temu, większość obszaru Europy Północnej była pokryta lądolodem, którego grubość przekraczała trzy kilometry. Analiza klimatu ostatnich kilkunastu tysięcy lat, czyli po ustąpieniu lądolodu z umiarkowanej strefy klimatycznej Europy, wykazała niewielkie fluktuacje temperatury. Jednak w XX stuleciu wyraźnie zaznaczył się wzrostowy trend temperatury na świecie. Za zjawisko to odpowiedzialny jest tak zwany efekt cieplarniany. Efekt cieplarniany (szklarniowy) rozumiany jest jako względnie szybki wzrost średniej temperatury przy powierzchni Ziemi, spowodowany obecnością gazów pochłaniających promieniowanie podczerwone (gazów szklarniowych). Efekt cieplarniany wystąpił już w początkowej fazie tworzenia się atmosfery. Wówczas jej skład sprzyjał wystąpieniu takiego zjawiska. Późniejsza ewolucja atmosfery osłabiła znacznie procesy cieplarniane, chociaż nigdy nie zostały zlikwidowane zupełnie. Obecnie

14 temperatura na Ziemi wynosi w granicach 15 O C. Gdyby nie istniało zjawisko szklarniowe wynosiłaby zaledwie 18 O C. W XX wieku, na skutek antropogenicznej emisji gazów szklarniowych do atmosfery, sztucznie i nieświadomie wzmocniono efekt cieplarniany. Choć systematyczne obserwacje wybranych parametrów klimatycznych prowadzono w niektórych krajach od bardzo dawna, dopiero w połowie XIX wieku sieć tych obserwacji stała się wystarczająco gęsta, aby na jej podstawie można było wyciągać wnioski dotyczące globalnych zmian klimatu. Najczęściej obserwowanym obecnie parametrem klimatycznym jest temperatura powietrza przy powierzchni Ziemi. Mierzy się ją regularnie w około 5 tys. stacji meteorologicznych oraz na statkach pływających po morzach i oceanach. Na podstawie tych pomiarów szacuje się, że obecnie temperatura jest wyższa o około 0,5-0,7 O C od tej którą obserwowano 150 lat wcześniej (rysunek 2.5.). Dekada roku była najcieplejszą nie tylko w ostatnich stu pięćdziesięciu latach, ale prawdopodobnie w całym ostatnim tysiącleciu. Rysunek 2.5. Zmiany temperatury na Ziemi 0,8 0,6 Zmiany średniej globalnej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w ciągu ostatnich 140 lat, wyrażone jako odchylenie od średniej wyliczonej dla okresu Pokazane zakresy niepewności wyznaczonych średnich rocznych temperatury odpowiadają poziomowi ufności 95%. Zmiany średniej globalnej o temperatury powietrza [ C] 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0, Rok Źródło: [Houghton i in., 2001]. W XX wieku zaobserwowano również stopniowe ogrzewanie się wód oceanu światowego. Pokrywa śnieżna na wysokich i średnich szerokościach geograficznych półkuli północnej zmniejszyła się o około 10% od połowy lat sześćdziesiątych ubiegłego stulecia. Postępuje proces cofania się lodowców górskich na całej kuli ziemskiej. Ma on szczególnie gwałtowny charakter dla wysokogórskich lodowców w obszarach tropikalnych.

15 Zaobserwowano zmniejszenie się zasięgu lodu morskiego w lecie na półkuli północnej o 10-15% od połowy ubiegłego wieku. Zmniejszyła się również o około 40% średnia grubość lodu morskiego w Arktyce w ostatnich kilku dziesięcioleciach. [Różański, 2002] Proces efektu cieplarnianego jest stosunkowo prosty. Do atmosfery bezustannie dopływa energia słoneczna. Część jej odbijają chmury, część pochłaniają różne związki znajdujące się w atmosferze, taki jak: para wodna, dwutlenek węgla (CO 2 ), metan (CH 4 ), freony, halony, podtlenek azotu (N 2 O) oraz ozon (O 3 ), a resztę pochłania Ziemia. Ogrzana Ziemia oddaje ciepło w postaci promieniowania podczerwonego. Promieniowanie to ponownie jest pochłaniane przez te same związki uniemożliwiając ucieczkę ciepła w przestrzeń kosmiczną. [Dobrzański i in., 1997] Dzięki badaniom prowadzonym w lodach Antarktydy i Grenlandii zmierzono stężenie CO 2 w powietrzu z ostatnich setek, a nawet tysięcy lat. Pęcherzyki tego powietrza są uwięzione w lodzie i łatwo dają się mierzyć metodami laboratoryjnymi. Od początku XVII stulecia zaobserwowano nieustanny wzrost stężenia CO 2 od poziomu około 278 ppm do 370 ppm. Do dziś przybyło w atmosferze około 150 miliardów ton węgla. Za wzrost koncentracji CO 2 w powietrzu odpowiedzialna jest przede wszystkim antropogeniczna emisja tego gazu. Główne przyczyny jej zwiększenia to wzrost industrializacji (uprzemysłowienie) oraz zmiany użytkowania terenu (deforestacja). Rysunek 2.6. Emisja CO 2 według regionów

16 Emisja wynikające ze wzrostu industrializacji Gg Emisja wynikająca ze zmiany użytkowania terenu Źródło: [UNEP/GRID, 2006] Dwie największe przyczyny emisji CO 2 związane z industrializacją to spalanie paliw kopalnych oraz produkcja cementu. W wyniku procesu spalana, do atmosfery przedostaje dwutlenek węgla, zakumulowany pod powierzchnią ziemi w postaci węgla, ropy lub gazu. Znaczne ilości CO 2 emitowane są także podczas produkcji wapna, głównego składnika cementu. Szacuje się, że z procesów przemysłowych pochodzi ¾ dwutlenku węgla wyemitowanego na skutek działań człowieka. W 1999 roku do atmosfery uwolnione zostało niemal 29 mld ton CO 2, przy czym z tego 44% przypadło na energetykę, 21% na transport, a Gg

17 19% na przemysł [OECD, 2002]. Za największych emitentów CO 2 uważa się Stany Zjednoczone, Japonię, Niemcy, Kanadę (rysunek 2.7.) Rysunek 2.7. Emisja CO 2 w wybranych krajach w 2002 roku Szwajcaria Szwecja Norwegia Francja Islandia Austria Włochy Dania UKD Irlandia Portugalia Hiszpania Japonia Nowa Zelandia Holandia Niemcy Belgia Meksyk Turcja Luxemburg Węgry Grecja Finlandia Korea Kanada USA Sowacja Australia Polska Czechy Emisja na jednostkę PKB Emisja na osobę Całkowita emisja OECD 0,0 0,5 Turcja Meksyk Węgry Szwecja Szwajcaria Portugalia Francj Słowacja Hiszpania Włochy Polska Islandia Norwegia Grecja Austria Nowa Zelandia UKD Japonia Dania Korea Niemcy Irlandia Holandia Belgia Czechy Finlandia Kanada Australia USA Luxemburg 0 5 OECD Islandia Luxemburg Nowa Zelandia Norwegia Słowacja Irlandia Szwajcaria Dania Szwecja Węgry Portugalia Finlandia Austria Grecja Belgia Czechy Holandia Turcja Polska Hiszpania Australia Francja Meksyk Włochy Korea Kanada UKD Niemcy Japonia USA OECD [Mg/1000 USD] [Mg/1osoba] [mln Mg] Źródło: [OECD Environmental, 2005] Niezwykle ważna przyczyna wzrostu emisji CO 2 to deforestacja (wylesianie), która odpowiedzialna jest za 90% emisji wynikającej ze zmiany użytkowania terenu. Na Ziemi istnieją dwa wiecznie zielone typy lasów las równikowy (dżungla) oraz las borealny (tajga). Dżungla zajmująca 3,3% powierzchni Ziemi, zawiera 41,6% zasobów planetarne biomasy i produkuje 21,6% nowej biomasy rocznie. Tajga, zajmująca 2,4% powierzchni globu, skupia 13% biomasy i wytwarza 5,6% nowej materii organicznej. Szacuje się, iż na skutek działalności człowiek od 1850 roku ich powierzchnia zmniejszyła się o 20%. Naturalne procesy fotosyntezy zachodzące w lasach stanowią jedyną, oprócz rozpuszczania w oceanach, skuteczną metodę obniżania poziomu dwutlenku węgla w atmosferze w skali globalnej. Fotosynteza jest złożonym procesem fizykochemicznym, w którym pod wpływem energii świetlnej i przy udziale wody dwutlenek węgla wycofywany jest z atmosfery i włączany w związki organiczne. Szacuje się, że udział CO 2 w globalnym ociepleniu planety wynosi około 60%. Za resztę efektu odpowiedzialny jest metan (NH 4 ), podtlenek azotu (N 2 O) oraz freony. Siła

18 oddziaływania cieplarnianego tych gazów jest znacznie większa niż dwutlenku węgla, lecz ich emisja antropogeniczna oraz koncentracja w atmosferze dużo mniejsza. (tabela 2.3.). Tabela 2.3. Główne gazy cieplarniane Związek Koncentracja preindustrialna [ppm] Koncentratcja w 1998 roku Czas życia w atmosferze Główne źródła antropogeniczne Siła oddziaływania cieplarnianego Para wodna kilka dni Dwutlenek węgla paliwa kopalne, (CO 2 ) produkcja cementu, zmienny zmiana użytkowania 1 terenu Metan (CH 4 ) paliwa kopalne, uprawy 0,7 1,75 12 ryżu, hodowla zwierzęca 23 Tlenki azotu (NO X ) nawozy sztuczne, 0,27 0, procesy spalania 296 HFC-23 (CHF 3 ) 0 0, elektronika, chłodnictwo HFC-134a (HF3CH 2 F) 0 0, ,8 chłodnictwo 1300 HFC-152a (HC 3 CHF 2 ) 0 0, ,4 procesy przemysłowe 120 Szściofluorek siarki (SF 6 ) 0 0, energetyka Źródło: [UNEP/GRID, 2006]. Globalne stężenie CH 4 w atmosferze w 2002 roku wynosiło 1,76 ppm, i było ponad dwukrotnie większe niż przed dwustu laty, na początku ery przemysłowej. W okresie od lat p.n.e. do XVI wieku naszej ery stężenie metanu było stałe. Poczynając od połowy XIX wieku zaczęło regularnie rosnąć, a obecnie tempo przyrostu wynosi około 1% rocznie. Metan powstaje w wyniku procesów beztlenowego rozkładu materii organicznej. W naturze warunki takie występują najczęściej na bagnach i obszarach podmokłych, zalewowych obszarach w strefie podzwrotnikowej i w tundrze. Antropogeniczna emisja metanu pochodzi przede wszystkim z: wykorzystywania ziemi pod uprawy ryżu; procesów trawiennych zwierząt hodowlanych, zwłaszcza przeżuwaczy; kopalń węgla kamiennego; procesów wydobywania i wykorzystywania gazu ziemnego; wysypisk i składowisk zawierających odpady organiczne. Potencjalnym dużym źródłem metanu mogą także się stać regiony podbiegunowe (np. tundra), jeżeli globalne ocieplenie spowoduje wyzwolenie gazu uwięzionego w wiecznej zmarzlinie i lodzie. Podtlenek azotu (N 2 O) powstaje jako produkt uboczny spalania paliw kopalnych (zwłaszcza węgla) oraz używania nawozów azotowych. Globalna produkcja nawozów azotowych wywołuje 0,2-0,4% roczny wzrost poziomu N 2 O w atmosferze. Produkcja

19 antropogenna jest już równa połowie produkcji naturalnej, której źródłami są gleby, oceany, rzeki i jeziora, pożary roślinności, wulkany i wyładowania atmosferyczne. Podtlenek azotu utrzymuje się w atmosferze około 150 lat, zanim rozłoży się w procesie fotodysocjacji na tlenek i dwutlenek azotu. [Czaja, 1998] Obserwowane oddziaływania antropogeniczne budzą coraz większy niepokój wśród naukowców, polityków oraz różnych organizacji międzynarodowych. Podejmowane są zatem liczne próby określenia potencjalnych zmian klimatycznych wywołanych efektem cieplarnianym. W ogłoszonym w sierpniu 2001 roku III Raporcie Międzyrządowego Panelu Zmian Klimatu opublikowano prognozy zmian klimatu do 2100 roku. Obliczenia objęły 35 najbardziej prawdopodobnych scenariuszy rozwoju społeczno-gospodarczego świata w bieżącym stuleciu. Najważniejsze wnioski wynikające z Raportu to: [Różański, 2002] wzrost średniej globalnej temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi w 2100 roku od 1,4 O C do 5,8 O C, w stosunku do średniej za lata ; podniesienie się poziomu oceanu światowego o 0,2-0,7 m, wynikające głównie z rozszerzalności termicznej oceanu i częściowego topnienia lodowców kontynentalnych oraz czasz lodowych Grenlandii i Antarktydy; utrzymywanie się wzrostu globalnej temperatury i poziomu oceanu w XXII wieku, ze względu na bezwładność termiczna oceanu i stosunkowo długi średni czas przebywania dwutlenku węgla w atmosferze, nawet przy przyjęciu optymistycznego scenariusza rozwoju społeczno-gospodarczego świata. Konsekwencją zmian klimatycznych jest wzrost parowania z powierzchni lądów i oceanów, a także ilości opadów. Oznacza to, przyspieszenie procesu obiegu wody w przyrodzie. Szacuje się, że podwojenie zawartości gazów cieplarnianych spowoduje wzrost sumarycznej ilości opadów około 10%. Niestety, rozkład opadów nie będzie równomierny. Wnętrza kontynentów będą dotknięte niedoborem opadów. Można się spodziewać, że na znacznej części obecnych obszarów suchych i półsuchych deficyt wody pogłębi się, powodując intensyfikację pustynnienia i erozji. W szerokościach umiarkowanych ocieplenie klimatu spowoduje zanik pokrywy śnieżnej, zmniejszenie retencji i podniesienie poziomu wód gruntowych. Zwiększenie rozmiaru i częstości okresów burzowych oraz wzrost parowania sprzyjać będą powodziom i długim okresom niskich stanów wody w rzekach oraz nasileniu erozji wodnej gleb. [Sadowski, 2002] Proces ten już się uwidocznił w latach Długotrwałe upały sprzyjają powstawaniu smogu oraz rozprzestrzenianiu się alergenów powodujących schorzenia układu oddechowego.

20 Nie wszystkie konsekwencje globalnego ocieplenia muszą być złe. Zmiany klimatyczne mogą się okazać pozytywne dla produkcji żywności. Granice wiecznej zmarzliny w Rosji i Kanadzie przesuną się na północ, co pozwoli wydatnie zwiększyć areał upraw. Można się także spodziewać zwiększonej asymilacji i przyspieszonej produkcji biomasy. Jest to tak zwany efekt użyźniania, który może polegać na oszczędniejszej gospodarce wodnej (ta sama ilość CO 2 może zostać zasymilowana przy mniejszym parowaniu z rośliny). Zjawisku temu podlegać jednak będą rośliny o określonym typie fotosyntezy, takie jak: ryż, fasola, ziemniaki, inne natomiast (np. kukurydza, proso) mogą zmniejszyć swoje plonowanie. Silne wiatry mogą rozpraszać skoncentrowane zanieczyszczenia. Ogólnie jednak niepożądane skutki środowiskowe, ekonomiczne i społeczne z pewnością przewyższą potencjalne korzyści. Zanieczyszczenie powietrza Gwałtowny wzrost emisji zanieczyszczeń powietrza nastąpił w drugiej połowie XX wieku. Przyczyn było wiele, jednak do najważniejszych z pewnością należy zaliczyć szybką industrializację, lawinowo wzrastające natężenie ruchu samochodowego i wysoki poziom urbanizacji. Źródła zanieczyszczeń powietrza można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią zanieczyszczenia naturalne wynikające z procesów zachodzących w przyrodzie takich jak: erupcje wulkaniczne, rozkład materii organicznej, pożary lasów lub stepów, pylenie pustyni lub przesuszonych gleb uprawnych. Chociaż ilość związków dostających się do atmosfery, w wyniku tych zjawisk jest znaczna, natura wypracowała mechanizmy ich neutralizacji i włączania w obiegi materii w środowisku. Drugą, znacznie groźniejsza grupę stanowią zanieczyszczenia antropogeniczne, powodowane działalnością człowieka. Podstawowymi składnikami zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego, pochodzenia zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego są pyły i gazy. Powstawanie pyłów jest nieodłącznie związane z wszystkimi procesami produkcyjnymi. Szczególnie dużo powstaje ich podczas spalania paliw stałych, procesów metalurgicznych, w produkcji materiałów budowlanych. Przy produkcji cementu metodą suchą emisja pyłu w cementowni sięga 30% masy wyprodukowanego cementu, a podczas produkcji stali w wielkim piecu straty w pyle sięgają 10% wyprodukowanej surówki [Karaczun, Indeka, 1999]. Zapylenie powstaje także na skutek dewastacji gleby i pozbawieniu jej pokrywy roślinnej (np. roboty budowlane), na skutek erozji wietrznej i ruchu pojazdów mechanicznych. Rozmiary pyłów bywają bardzo różne, zależnie od źródła ich powstawania. Największe i najcięższe cząstki opadają blisko

21 miejsca emisji, najlżejsze mogą pozostawać w atmosferze przez bardzo długi czas. Wiele sadzy powstaje w miastach i osadach ludzkich. Są to bardzo drobne cząstki węgla, które mają niezwykle dużą, w stosunku do masy, powierzchnię. Tym samym, są bardzo aktywne i doskonale absorbują różne substancje chemiczne (np. węglowodory, parę wodną, czy sole ołowiowe z gazów spalinowych). Pyły powstają też przy tarciu. Są wśród nich niezwykle groźne, rakotwórcze włókienka azbestu. Głównym antropogennym źródłem pyłów jest jednak przemysł, zwłaszcza energetyka, przemysł metalurgiczny i materiałów budowlanych (cementowy). Mała elektrownia węglowa o mocy 100 MW tworzy do 10 Mg pyłów na godzinę, huta generuje pyły o wadze sięgającej dziesiątej części wyprodukowanej surówki, a niektóre cementownie - 1/3 wyprodukowanego cementu. Wiele zakładów emituje pyły metalurgiczne o ogromnej toksyczności.[czaja, 1998] W ostatnich latach, na skutek podjętych działań ochronnych, obserwuje się zmniejszanie emisji pyłów przemysłowych. Znacznie większe zagrożenia związane jest z emisją do atmosfery tlenków siarki (SO 2 ) i tlenków azotu (NO X ). Globalna antropogeniczna emisja obu tych gazów stanowi w przybliżeniu 50% emisji naturalnej, jest ona jednak skupiona w kilku najbardziej uprzemysłowionych regionach świata. Wszystkie paliwa kopalne, stałe i płynne, zawierają siarkę lub jej związki. W wyniku ich spalania powstaje dwutlenek siarki (SO 2 ), który może utleniać się w powietrzu do trójtlenku siarki (SO 3 ). Szacuje się, że globalna, roczna emisja siarki do atmosfery zawiera się w przedziale mln ton. Do chwili obecnej uwolniono około 5% siarki znajdującej się w znanych złożach węgla i ropy naftowej, przy czym spora część tej emisji nastąpiła po II Wojnie Światowej. Oprócz powstawania tlenków siarki we wszystkich procesach spalania utleniany jest azot zawarty w powietrzu, co powoduje powstawanie tlenków azotu. Ich ilość wzrasta wraz ze wzrostem temperatury spalania. Szacuje się, że podczas spalania tony węgla w obiektach energetycznych, do atmosfery dostaje się kg tlenków azotu. Oprócz procesów przemysłowych istotnym źródłem NO X są silniki samochodowe oraz niewłaściwe nawożenie sztucznymi nawozami azotowymi.[karaczun, Indeka, 1999] Globalną emisję tlenków azotu szacuje się na mln Mg rocznie i obecnie stanowi ona 2-5% emisji naturalnej. Tlenki siarki i azotu w reakcjach z parą wodną oraz tlenem w obecności promieni ultrafioletowych tworzą kwas siarkowy oraz kwas azotowy. Substancje te są odpowiedzialne za zjawisko kwaśnego opadu zwanego popularnie kwaśnym deszczem (rysunek 2.8.). Rysunek 2.8. Mechanizm powstawania kwaśnych opadów atmosferycznych

22 SO 2 H SO 2 4 utlenianie HNO 3 HNO 3 + H + NO 3 NH 3 + H + NH 4 SO 2 NO X NO X opad suchy NO X HNO 3 SO 2 H + opad mokry NH 4 SO 4 NO 3 2 warstwa próchnicza wymywanie spływ wpływ na roślinność gleba mineralna skała macierzysta Źródło: [Dobrzański i in., 1997]. wpływ na chemizm i biologię wód wpływ na chemizm i biologię gleb W praktyce kwasowość opadów określa się bezwymiarowym wskaźnikiem ph, który dla wodnych roztworów obejmuje zakres od 1 do 14. Czysta chemicznie, obojętna woda ma ph równe 7. Naturalna kwasowość opadów atmosferycznych wynosi 5,65. Jest wyznaczona przez stężenie dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie, pozostającego w dynamicznej równowadze z dwutlenkiem węgla rozpuszczonym w powietrzu. Opad, którego wartość ph jest niższa od 5,6 określa się mianem kwaśnego. Depozycja związków zakwaszających może jednak występować zarówno w postaci mokrej, jak i suchej. Przez pojęcie suchego opadu atmosferycznego (suche osadzanie, depozycja) rozumie się przeniesienie substancji zakwaszających z atmosfery na powierzchnię Ziemi, bez udziału fazy ciekłej. Substancje te absorbują się (są wchłaniane) na wilgotnych powierzchniach roślin, budowli, gleb i powierzchni wód. Tlenki siarki i azotu stanowią zagrożenie dla prawidłowego funkcjonowania niemal wszystkich ekosystemów. Szczególnie niebezpieczne są jednak dla środowisk leśnych i glebowych. Zakwaszone opady powodują wypłukiwanie z gleby głównych składników pokarmowych roślin: potasu, wapnia, magnezu i manganu. Jednocześnie uruchamiane są toksyczne dla korzeni drzew jony aluminium, miedzi, cynku, kadmu, ołowiu i innych metali ciężkich (ich stężenie może wzrosnąć nawet stukrotnie). Ponadto, jony te przyczyniają się do niedożywienia roślin, ponieważ uniemożliwiają regularny przepływ substancji odżywczych z roztworów glebowych. Zakwaszenie wpływa niekorzystnie także na aktywność biologiczną gleby. Organizmy glebowe (głównie bakterie) żyją i są aktywne w ściśle określonym przedziale kwasowości

23 gleb. Jej zmiany zmniejszają liczebność mikroorganizmów, co wpływa niekorzystnie na procesy glebotwórcze, a także na jakość próchnicy. W konsekwencji dochodzi do ograniczenia dostępności substancji odżywczych, a przez to zmniejszenia przyrostu biomasy roślin. [Dobrzański i in., 1997] Problem kwaśnych opadów ma charakter globalny. Dowiedziono, iż szybkość zamiany SO 2 w kwas siarkowy maleje wraz ze wzrostem szybkości wiatru. Możliwy jest więc w atmosferze transport substancji zakwaszających na duże odległości i oddziaływanie na ekosystemy znacznie oddalone od źródła emisja. Zjawisko takie występuje w krajach skandynawskich, które w skutek transgranicznego przenoszenia zanieczyszczeń, otrzymują znacznie więcej tlenków siarki i azotu, niż same emitują. Kierunek dominujących mas powietrza sprawia, że zanieczyszczenia emitowane w innych regionach Europy opadają na północy kontynentu. Głównym źródłem zanieczyszczeń powietrza w aglomeracjach stał się obecnie transport i komunikacja. Samochody w wyniku spalania paliwa emitują to atmosfery szereg charakterystycznych dla tego procesu związków, taki jak: dwutlenek węgla (CO 2 ), tlenek węgla (CO), tlenki azotu (NO X ), dwutlenek siarki (SO 2 ). Dodatkowo emitowane są (także w wyniku mechanicznego zużywania np. ścierania opon) niezwykle groźne wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), lotne związki organiczne (LZO) oraz metale ciężkie, takie jak: ołów, kadm, miedź. Są to związki o charakterze toksycznym i kancerogennym. Na obszarach miejskich udział źródeł komunikacyjnych w emisji CO szacowany jest na około 70-90%, a NO X na około 20% Techniczne i technologiczne środki ochrony powietrza W XX wieku najpopularniejszym sposobem ochrony powietrza były tzw. technologie końca rury, czyli urządzenia zatrzymujące zanieczyszczenia powstałe w procesie technologicznym. W ochronie powietrza są to najczęściej urządzenia oczyszczające gazy odlotowe z szkodliwych pyłów i gazów. Są one więc instalowane niejako na końcu komina. Ze względu na stan skupienia oddzielanych zanieczyszczeń urządzenia oczyszczające dzieli się na: urządzenia do oddzielania rozdrobnionych zanieczyszczeń stałych (pyłu), urządzenia do oddzielania kropelek cieczy (mgieł), urządzenia do redukcji zanieczyszczeń gazowych. W praktyce oddzielanie mgieł następuje zazwyczaj wraz z procesem odpylania i zachodzi w tych samych urządzeniach. W procesie odpylania wykorzystywane są siła bezwładności, siła ciążenia, siła odśrodkowa, zjawiska filtracji oraz zjawiska elektrostatyczne. Odpylanie może odbywać się na sucho (odpylacze suche) lub przy udziale wody (odpylacze

24 mokre). Urządzenia do redukcji zanieczyszczeń gazowych dzieli się w zależności od stosowanych metod oczyszczania na: urządzenia absorpcyjne, urządzenia adsorbcyjne, urządzenia do katalitycznego utleniania i redukcji, urządzenia do spalania płomieniem, urządzenia skraplające, urządzenia kompresyjne. Obecnie odchodzi się od technologii końca rury na rzecz tzw. czystszej produkcji. Wiodącym w tym zakresie sposobem redukcji emisji zanieczyszczeń do powietrza jest zmiana technologii spalania. W ostatnich latach coraz częściej są stosowane tzw. palniki niskoemisyjne, zmniejszające ilość wydalanych tlenków azotu. Ograniczenie emisji osiąga się w nich dzięki specjalnej kontroli ilości dostarczanego do paleniska tlenu i temperatury procesu spalania. Natomiast ilość emitowanego SO 2 można zredukować stosując palniki fluidalne. W tej metodzie spalanie węgla odbywa się w specjalnie skonstruowanych kotłach. Miał węglowy jest utrzymywany wewnątrz komory spalania kotła przez odpowiednio wprowadzany strumień powietrza. Tak prowadzony proces ogranicza straty wynikające z niecałkowitego spalania paliwa. Doprowadzając do paleniska pył dolomitowy, który absorbuje SO 2, można doprowadzić do wyeliminowania ze spalin 75-90% siarki. [Konieczyński i in., 1994] Emisję zanieczyszczeń do powietrza można zmniejszyć przez stosowanie jak najmniej zanieczyszczonych paliw. Na przykład, ograniczenie emisji SO 2 można osiągnąć przez zmianę paliwa z węgla na gaz ziemny (który zawiera mniej siarki), bądź używając węgiel o niższej zawartości siarki. Odsiarczanie węgla kamiennego jest jednym z tańszych sposobów ograniczania emisji tego pierwiastka do atmosfery. Ogranicza to również ilość odpadów powstających w miejscu spalania i zmniejsza koszty transportu. Siarka w węglu może występować w dwóch postaciach: jako piryt, czyli siarczek żelaza, oraz w postaci siarki organicznej, chemicznie związanej z węglem. Znacznie trudniejsze i kosztowniejsze jest oddzielanie siarki organicznej, ale w węglu kamiennym jest jej na ogół mniej niż siarki w postaci siarczku żelaza. Nieopłacalne jest natomiast odsiarczanie węgla brunatnego przede wszystkim dlatego, że zawarte w tym paliwie związki mineralne w postaci popiołu mogą wiązać w procesie energetycznego spalania nawet do 50% siarki organicznej. Najlepszą metodą zmniejszenia zanieczyszczenia powodowanego przez spalanie węgla brunatnego jest jego gazyfikacja. Uzyskiwany w ten sposób gaz może być używany w elektrowni, w której do wytwarzania energii elektrycznej stosowana jest kombinacja turbin gazowych i parowych. Znacznie czystszym paliwem jest również gaz uzyskiwany z gazyfikacji węgla kamiennego. Otrzymane paliwo jest substytutem gazu ziemnego. Charakteryzuje się podobnymi

25 właściwościami energetycznymi, jednak koszt jego uzyskania jest około dwa razy większy niż gazu ziemnego. [Karaczun, Indeka, 1999] Zmniejszenie się emisji CO 2 odbywa się obecnie jedynie poprzez zmniejszanie udziału paliw kopalnych w bilansie energetycznym. Polega to na zastępowaniu tradycyjnych źródeł energii czystymi źródłami alternatywnymi. Niekonwencjonalne źródła energii elektrycznej można podzielić na źródła odnawialne i źródła nieodnawialne. Do odnawialnych należą: energia słoneczna, energia wiatru, pływów morskich, fal morskich, energia cieplna oceanów (maretermiczna), biomasa, a do źródeł nieodnawialnych: wodór, energia magneto-hydrodynamiczna i ogniwa paliwowe. Energia promieniowania słonecznego stanowi największe źródło energii, którym dysponuje człowiek. Problemem jest nie jej pozyskanie, lecz zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie. Energia słoneczna może być przetwarzana na prąd i ciepło przez instalacje montowane i w miejscach zabudowanych. Promieniowanie słoneczne jest wykorzystywane głównie w rolnictwie, ciepłownictwie (cieplne kolektory słoneczne) oraz elektroenergetyce (ogniwa fotowoltaiczne). Ogniwa fotowoltaiczne konwertują energię słoneczną na energię elektryczną. Obecnie istniejące ogniwa stanowią praktyczne wykorzystanie zjawisk fizycznych zaobserwowanych w XIX wieku przez E. Bequerela. Badając zachowanie ciał stałych w elektrolizie zaobserwował on, że przy naświetleniu jednej z dwóch elektrod sporządzonych z tego samego metalu zanurzonych w elektrolicie powstaje między nimi napięcie elektryczne. Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne miały sprawność konwersji w granicach 6%. Obecnie przy zastosowaniu urządzeń zwanych koncentratorami mocy można osiągnąć sprawność rzędu 28%. Największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają jednak technologie oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Są to urządzenia wychwytujące energię słoneczną i zamieniające na energię cieplną. Zazwyczaj instalowane są w dachach, południowej ścianie budynku na specjalnie przygotowanym stelażu lub na ziemi. Kolektory są najczęściej stosowane do podgrzewania wody użytkowej, w basenach, rzadziej zaś do ogrzewania domów. Energetyka wiatrowa jest jedną z najszybciej rozwijających się sektorów energetyki niekonwencjonalnej na świecie. W Normandii wiatraki zaczęto budować w już średniowieczu. Dawne wiatraki, w których przetwarzano energię wiatru na pracę stanowiły źródło energii mechanicznej do napędu młynów. Nowoczesne turbiny wiatrowe z horyzontalnymi osiami obrotu wału, ustawionymi równolegle do prędkości wiatru służą do