Człowiek a atmosfera

Atmosfera jest jedną z tych warstw Ziemi, na którą człowiek wywiera największy wpływ. Emisja gazów cieplarnianych przyczynia się pojawienia się problemu globalnego ocieplenia, które dotyka całej planety. Podobnie emisja freonów i jej wpływ na dziurę ozonową. Z kolei lokalne emisje zanieczyszczeń przyczyniają się do powstawania smogu.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)

Człowiek a środowisko

II Człowiek a atmosfera

1. Zanieczyszczenie atmosfery

Człowiek w istotny sposób przyczynia się do zanieczyszczenia atmosfery. Na to zanieczyszczenie składają się substancje w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Zanieczyszczenia powietrza możemy podzielić na substancje:

• Będące naturalnymi składnikami powietrza, ale których stężenie znacząco przekracza przyjęte normy (np. CO2).
• Nie będące naturalnymi składnikami powietrza (np. sadza).

Zanieczyszczenia atmosfery można z kolei podzielić na:

• Pochodzenia naturalnego – które wystąpiłyby niezależnie od istnienia człowieka np. pochodzące z pożarów lasów czy wybuchów wulkanów, albo emisji pyłów ze skał czy pochodzenia kosmicznego.
• Pochodzenia antropogenicznego – których występowanie w atmosferze jest wynikiem działalności człowieka.

Okazuje się, że choć naturalne zanieczyszczenia atmosfery są obecne od milionów lat, to jednak stanowią one jedynie marginalny odsetek wszystkich. Np. naturalna emisja CO2 pochodzenia wulkanicznego to mniej niż 1% całej światowej emisji tego gazu.

Zanieczyszczenia atmosfery można także podzielić na dwie główne grupy:

• Zanieczyszczenia gazowe, do których należą w szczególności: dwutlenek węgla (CO2), tlenek węgla (CO), dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (N2O) oraz metan (CH4). Wpływają one przede wszystkim na zjawiska atmosferyczne takie jak smog, kwaśne deszcze czy globalne ocieplenie.
• Zanieczyszczenia pyłowe, do których zaliczamy pył zawieszone w atmosferze oznaczane jako PM (skrót od ang. Particulate Matter czyli pył zawieszony). Do tego zapisu podaje się wielkość pyłu określoną w mikrometrach (μm). Przyczyniają się one do bezpośrednich problemów człowieka z układem oddechowym.

2. Zanieczyszczenie atmosfery pochodzenia antropogenicznego

Człowiek jako główny  emitent zanieczyszczeń atmosfery, jest winny temu procesowi ze względu na szereg swoich aktywności, do których należą:

• Działalność przemysłowa. Obejmuje m.in: przemysł paliwowy oraz częściowo przemysł metalurgiczny, głównie hutnictwo (bezpośrednia emisja gazów cieplarnianych z procesów spalania), przemysł chemiczny (zwłaszcza petrochemia, produkcja nawozów sztucznych i rozpuszczalników), przemysł mineralny związany z produkcją cementu, przemysł spożywczy (zwłaszcza cukrownie), przemysł (celulozowo-papierniczy)
• Energetyka – bezpośrednia emisja gazów cieplarnianych w procesach spalania, zwłaszcza węgla (kamiennego i brunatnego), ropy naftowej oraz w mniejszym stopniu gazu ziemnego i biopaliw.
• Górnictwo – zwłaszcza odkrywkowe, pylenie z hałd kopalnianych.
• Transport – spaliny pochodzące z napędzania środków transportu.
• Rolnictwo – emisja metanu z chowu zwierząt oraz efekty stosowania nawozów i sztucznych środków ochrony roślin.
• Osadnictwo – emisja zanieczyszczeń z palenisk domowych i kotłowni zbiorowych.
• Gospodarka odpadami – zanieczyszczenia związane z gospodarowaniem odpadami na wysypiskach i w oczyszczalniach ścieków.

Energetyka jest największym źródłem emisji gazów cieplarnianych (m.in. światowej emisji 50% CO2)

Źródło: https://i.ytimg.com/vi/fEjFLrG53hQ/maxresdefault.jpg

3. Globalne ocieplenie

Najważniejszym skutkiem zanieczyszczenia atmosfery w skali globalnej jest zjawisko globalnego ocieplenia. Pod tym pojęciem rozumiemy znacząco silniejszy niż występujący naturalnie efekt cieplarniany (zwany też efektem szklarniowym), za sprawą zwiększenia w atmosferze ilości gazów cieplarnianych.

Efekt cieplarniany polega na zatrzymywaniu w atmosferze części promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, które następnie emitowane jest w próżnię kosmiczną. Szerszą charakterystykę tego zjawiska opisano w tym temacie (kliknij). Zjawisko to jest ze wszech miar korzystne, ponieważ przyczynia się do zwiększenia średniej temperatury globalnej do około 15°C, podczas gdy brak tego zjawisk powodowałby temperaturę między -18°C a -27°C.  Bez efektu cieplarnianego nie byłoby więc życia na Ziemi.

Efekt cieplarniany a globalne ocieplenie

Źródło: Własna edycja na podstawie: https://image.shutterstock.com/image-illustration/greenhouse-effect-computer-graphic-260nw-76033612.jpg

Jednak za sprawą emisji przez człowieka znacznej ilości gazów cieplarnianych do atmosfery (przede wszystkim CO2, ale też CH4, N2O, HFCs i SF6), przepuszczalność atmosfery znacznie się zmniejszyła, a tym samym więcej ciepła zostało na Ziemi uwięzione i skierowane ponownie w kierunku powierzchni planety. W ten sposób średnia globalna temperatura powietrza wzrasta, co przyczynia się do licznych negatywnych skutków np.:

• Wzrostu liczby ekstremalnych zjawisk pogodowych (tornad, cyklonów tropikalnych, gwałtownych burzy na przemian z suszami),
• Pogłębianie procesów pustynnienia i objęcia nimi nowych obszarów
• Topnienia lodowców i lądolodów (czego skutkiem jest wzrost światowego poziomu morza).

Gazy cieplarniane utrzymują się w atmosferze przez tysiące lat, co rodzi skutki dla wielu kolejnych pokoleń ludzkości.

Nie licząc niewielkiej grupy całkowitych ignorantów głuchych na wszelkie fakty naukowe, panuje powszechny konsensus, że to człowiek i jego działalność jest przyczyną obecnych zmian klimatu (globalnego ocieplenia). Głównymi przyczynami są: energetyka, przemysł i transport. Szacuje się, że w ciągu ostatnich 170 lat (od 1850 r., który przyjmuje się jako rok startowy dużego wpływu człowieka na klimat), globalna temperatura wzrosła o co najmniej 0,9°C. Ta zmiana wydaje się pozornie niewielka, ale odgrywa gigantyczny wpływ na naszą planetę.

Odchylenie globalnej temperatury od normy w latach 1850-2020

Źródło: http://berkeleyearth.org/wp-content/uploads/2020/01/2019_Time_Series-768×433.png

Istnieją różne metody prezentacji emisji CO2 według państw za nich odpowiedzialnych. Zdaniem części osób uzasadnione wydaje się przeliczanie emisji CO2 per capita, tj. emitowanej średnio przez jednego mieszkańca. Mogłoby to jednak prowadzić do zaskakujących wniosków, ponieważ liderami takiego zestawienia byliby: Palau, Katar oraz Trynidad i Tobago, podczas gdy łączy realny udział tych trzech państw w emisji światowej nie przekracza 0,5%. Bardziej uzasadnione wydaje się więc zestawienie całkowitej emisji CO2 w porównaniu z generowanym z tego tytułu PKB. CO2 nie emituje sam fakt istnienia ludzi, ale ich aktywność – a więc gospodarka (PKB).

Emisja CO2 według państw Świata i Europy, a generowane PKB nominalne w 2017 r.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych Banku Światowego.

Okazuje się, że największym światowym trucicielem są Chiny. Odpowiadają one za ponad 29% światowej emisji dwutlenku węgla. Na drugim miejscu jest USA (niecałe 14%), ale warto zauważyć, że przy tym poziomie emisji generuje o prawie 50% większe PKB. Podobne zestawienie warto także odnieść do Polski. Nasz kraj zajmuje wysokie (niechlubne) 6 miejsce w Europie pod względem emisji CO2. Nasza emisja jest podobna do tej we Francji, ale Francja ma PKB ponad 5-krotnie większe od naszego. Stawia to nasz kraj wśród największych trucicieli na świecie w relacji CO2 do PKB. Choć odpowiadamy za tylko 0,86% światowej emisji CO2, nasza gospodarka jest bardzo szkodliwa na tle innych.

Emisja CO2 w skali czasu według regionów świata

Źródło: https://ourworldindata.org/

Najważniejszym gazem cieplarnianym pozostaje dwutlenek węgla. Jego emisja w krajach wysokorozwiniętych maleje, na skutek radykalnego podnoszenia norm środowiskowych oraz inwestycji w energię odnawialnych. Tymczasem na świecie, przede wszystkim w Azji, następuje radykalny wzrost emisji tego gazu na skutek zachodzących procesów uprzemysłowienia.

Emisja CO2 według sektorów w 2016 r.

Źródło: https://ourworldindata.org/uploads/2020/09/Emissions-by-sector-%E2%80%93-pie-charts.png

Najważniejszym źródłem emisji CO2 jest energia, w tym energia wykorzystywana w przemyśle, transporcie oraz do potrzeb ludności. Stanowi ona ponad 73% całej emisji. Na drugim miejscu jest rolnictwo (~18,5%).

4. Dziura ozonowa

Innym poważnym problemem, choć na szczęście już chociaż częściowo rozwiązanym, jest zjawisko dziury ozonowej. Polega ono na zmniejszaniu gęstości poziomu ozonu (O3) w warstwie stratosfery w Ziemskiej atmosferze (więcej o budowie atmosfery znajdziesz tutaj – kliknij). Za sprawą emitowanych (głównie z lodówek, sprayów i agregatów) freonów (gaz, związek fluoru, chloru i węgla), dochodzi do rozpadu ozonu stratosferycznego. Tymczasem okazuje się, że warstwa ozonowa jest dla Ziemi bardzo ważna, ponieważ chroni naszą planetę przed szkodliwym promieniowaniem UV.

Dziura ozonowa zaobserwowana została przede wszystkim nad biegunem południowym, co związane jest z mniejszą gęstością atmosfery w obszarach polarnych.

Dziura ozonowa nad Antarktydą – stan obecny i prognoza na przyszłość – zawartość ozonu

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4d/Ozone_hole_recovery.jpg

Zaobserwowanie problemu dziury ozonowej przyczyniło się do podjęcia działań na rzecz odwrócenia tego procesu i wycofania freonów z użytku. Na mocy protokołu Montrealskiego podpisanego przez 163 państw w 1987 r., podjęto skuteczne działania, które stopniowo przyczyniają się do regeneracji warstwy ozonowej. Szacuje się, że w 2060 r. warstw ozonowa odzyska poziom zawartości ozonu z 1980 r.

5. Smog

W porównaniu z globalnym ociepleniem czy dziurą ozonową, smog ma charakter zjawiska lokalnego powodowanego przez tzw. niską emisję – transport na terenie miasta oraz ogrzewanie. Pojęcie smogu pochodzi z ang. słów smoke czyli dym oraz fog czyli mgła. Lokalne zanieczyszczenie atmosfery na skutek procesów spalania. Zjawisko to występuje wyłącznie na terenie dużych aglomeracji miejskich, przy współudziale niekorzystnych warunków pogodowych i terenowych, ale może być dla człowieka bardzo dokuczliwe. Wyróżnia się dwa rodzaje smogu: siarkowy (tzw. Smog typu Londyńskiego) oraz fotochemiczny (tzw. Smog typu Los Angeles). Smog występuje na niskiej wysokości, o największym natężeniu do kilkudziesięciu metrów nad ziemią.

• Smog siarkowy (typu Londyńskiego) zwany też smogiem kwaśnym, powstaje w klimatach umiarkowanych. Nazwa pochodzi od Londynu, gdzie zaobserwowano go po raz pierwszy w XIX wieku. Jest wynikiem koncentracji w atmosferze efektów spalania paliw służących do ogrzewania domów – przede wszystkim sadzy, tlenków siarki i tlenku węgla. Smog występuje wyłącznie zimą (kiedy ludzie ogrzewają domy), głównie od listopada do stycznia przy niskiej temperaturze powietrza oraz przy zjawisku inwersji temperatury i dużej wilgotności. Najczęściej jest skutkiem wiązania się zanieczyszczeń powietrza z mgłą nad miastem.

Smog nad Londynem

Źródło: https://i.iplsc.com/smog-nad-londynem/0007RYWKWWVNL3MV-C116-F4.webp

Emisja tlenków siarki w Unii Europejskiej stale spada. Jeszcze w 1990 r. było to 25 mln ton, a obecnie niewiele ponad 4,7 mln ton (2017). Stanowi to niewielki fragment emisji światowej ocenianej na 100 mln ton (2010). Głównym źródłem tlenków siarki jest energetyka (a więc także ogrzewanie). Stąd związek tego gazu ze smogiem siarkowym. Największym producentem w UE jest Polska (0,6 mln ton), wyprzedzająca Niemcy, Hiszpanię, Wielką Brytanię i Francję.

Emisja SO2 według źródeł w państwach Unii Europejskiej w 2017 r.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/main-anthropogenic-air-pollutant-emissions/assessment-6

• Smog fotochemiczny (typu Los Angeles) zwany też smogiem kalifornijskim, zachodzi głównie w ciepłych klimatach podzwrotnikowym i zwrotnikowym. Nazwa pochodzi od Los Angeles, gdzie po raz pierwszy zaobserwowano go w 1926 r. Jest wynikiem koncentracji w atmosferze spalin samochodowych na które składają się węglowodory, tlenki azotu, tlenki węgla i ozon. Smog występuje latem i jesienią przy wysokiej temperaturze i suchym powietrzu oraz z towarzyszącą inwersją temperatury. Na skutek przemian fotochemicznych nad miastem tworzy się silnie trująca aerozolowa mgła.

Smog nad Los Angeles

Źródło: https://ca-times.brightspotcdn.com/dims4/default/fa4ed04/2147483647/strip/true/crop/2048×1457+0+0/resize/1349×960!/quality/90/?url=https%3A%2F%2Fcalifornia-times-brightspot.s3.amazonaws.com%2Fd4%2Fe8%2F0d1ada897d5de842f39baf96fadf%2Fla-me-air-pollution-0428-pictures-007

Emisja tlenków azotu w Unii Europejskiej stale spada. Jeszcze w 1990 r. było to 18 mln ton, a obecnie niewiele ponad 8,5 mln ton (2017). Stanowi to niewielki fragment emisji światowej ocenianej na 67 mln ton (2010). Głównym źródłem tlenków azotu jest transport, wyprzedzający energetykę. Stąd związek tego gazu ze smogiem fotochemicznym. Największym producentem w UE są Niemcy (1,2 mln ton), wyprzedzający Wielką Brytanię, Francję, Polską (0,8 mln ton) i Hiszpanię.

Emisja NOx według źródeł w państwach Unii Europejskiej w 2017 r.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/main-anthropogenic-air-pollutant-emissions/assessment-6

Porównanie parametrów smogu siarkowego i smogu fotochemicznego

Polska należy do państw o bardzo złej jakości powietrza atmosferycznego. Sztandarowym przykładem polskich zanieczyszczeń atmosfery jest Kraków. Ze względu na niekorzystne położenie w kotlinie i tym samym ograniczoną możliwość wymiany powietrza, miasto szczególnie mocno dotyka m.in problem smogu (typu londyńskiego). Źródłem zanieczyszczenia w Krakowie są przede wszystkim paleniska domowe (opalane węglem), a w mniejszym stopniu transport i działający w mieście i jego okolicach przemysł. Dodatkowo powstawaniu smogu sprzyjają częste mgły. Również nierozsądna zabudowa, która ograniczyła w mieście zjawisko wiatru, poskutkowała jednym z najgorszych w Polsce stanów powietrza, co ma bardzo niekorzystny wpływ na zdrowie mieszkańców miasta. Kraków nie jest jednak wyjątkiem, a powietrze w Polsce negatywnie wyróżnia się na tle Europy. M.in. w celu wyeliminowania tego zjawiska od 2019 r. w Krakowie zabronione jest palenie w domu węglem i drewnem.

Mapa stanu powietrza w Europie w listopadzie 2017 r.

Źródło: https://smoglab.pl/wp-content/uploads/2017/11/Zrzut-ekranu-z-2017-11-17-10-42-51-620×420@2x.png

Wśród metod przeciwdziałania smogowi wymienia się:

• Wymianę palenisk domowych z węglowych na zasilane innymi paliwami np. źródłami odnawialnymi, gazem lub przyłączanie do miejskich ciepłowni (nie powodują one tzw. niskiej emisji).
• Ograniczanie ruchu samochodowego na rzecz transportu zbiorowego i ruchu rowerowego.
• Wyższe normy ekologiczne spalin w produkowanych samochodach.
• Stosowanie filtrów na kominach zakładów przemysłowych.
• Zwiększanie zadrzewień i użytków zielonych, tworzenie parków miejskich.
• Zapewnianie zabudowy umożliwiającej swobodny ruch powietrza.
• Przenoszenie przemysłu na obszary oddalone od miast.

6. Inne zjawiska

Do innych zjawisk będących skutkiem zanieczyszczenia atmosfery należą:

• Kwaśne deszcze – opad deszczu o kwaśnym PH, Zawierają kwasy wytworzone w reakcji wody z pochłoniętymi z powietrza gazami, takimi jak: tlenki siarki, tlenki azotu, siarkowodór, dwutlenek węgla, chlorowodór. Są one emitowane do atmosfery w procesach spalania paliw, produkcji przemysłowej, wybuchów wulkanów, wyładowań atmosferycznych i innych czynników naturalnych.
• Kwaśne mgły – powstają analogicznie jak kwaśne deszcze, ale mają charakter osadu atmosferycznego (mgły).

Skutek kwaśnego deszczu są szczególnie dotkliwe dla roślin, ale szkodą też infrastrukturze

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Acid_rain_woods1.JPG

7. Zanieczyszczenia powietrza a ludzkie zdrowie

Ponieważ człowiek wdycha dziennie nawet 9 kg powietrza, to co znajduje się w atmosferze w bardzo poważnym stopniu wpływa na jego zdrowie. Do głównych zagrożeń dla zdrowia człowieka należą:

• Problemy neurologiczne na skutek obumierania komórek nerwowych. Prowadzą do depresji, demencji, problemów z pamięcią czy zaburzeń koncentracji i pamięci.
• Problemy układu oddechowego, przede wszystkim astma i pylica, inne choroby płuc, gardła i krtani oraz alergie oddechowe. Stany zapalne zatok.
• Podrażnienia oczu oraz błon śluzowych nosa i gardła.
• Zwiększone ryzyko rozwoju chorób nowotworowych, zwłaszcza raka płuc.
• Zwiększone ryzyko zawału serca, choroby niedokrwiennej i udaru.
• Mniejsza waga noworodków i wzrost ryzyka poronienia lub wad płodu.