Wstęp

Wszyscy znamy ten zapach: duszący, jak z kotłowni, lub słodkawo-mdły z rur wydechowych diesli. Zanieczyszczenia powietrza, zwane potocznie smogiem, to najpoważniejszy problem cywilizacyjny współczesnej Polski.

Smog jest tematem gorącej debaty publicznej, w której równie ostro ścierają się poglądy dotyczące przyczyn tego zjawiska, jak i sposobów jego eliminacji. Po latach zaniedbań poczyniono już pierwsze kroki ku poprawie sytuacji, jednak postępujemy w tempie, które pozostawi u nas smog jeszcze na długie lata. Jako społeczeństwo nie możemy sobie na to pozwolić. Smog ma wyjątkowo podstępną cechę - atakuje nasze dzieci znacznie ostrzej niż nas, ludzi dorosłych. Jego dzisiejsze działanie będzie odczuwało następne pokolenie, nawet jeżeli smog do tego czasu pokonamy.

Niniejsza książka nie jest typową książką naukową. Jest to tekst o problemie smogu, który starałem się opisać tak, aby stał się przystępny dla możliwie największego kręgu odbiorców.

Nie jest to też książka popularnonaukowa. Zawiera ona dużo szczegółowych informacji ze wskazaniem źródeł. Starałem się, aby był to tekst obiektywny i rzeczowy, z konkretnym opisem zjawisk i danymi liczbowymi. Niektórzy Czytelnicy mogą odczuwać przeładowanie informacją, ale taki właśnie był zamysł - autor informacji dostarcza, a Czytelnik wybiera z nich te, które go interesują.

Zagadnienie smogu starałem się przedstawić jak najszerzej. Problem zanieczyszczeń powietrza jest wybitnie interdyscyplinarny. Czytelnik znajdzie tu ważne dla zrozumienia problemu smogu informacje z wielu dziedzin, od fizyki atmosfery po ekonomię.

Książka ta jest przydatna zarówno dla Czytelników, którzy poszukują wiedzy o zanieczyszczeniach powietrza w swojej pracy zawodowej - pracowników administracji różnego szczebla, przedstawicieli społeczeństwa w organach wybieralnych, studentów, inżynierów ochrony środowiska - jak i dla wszystkich, którzy problemem smogu po prostu się interesują. Tak jednych, jak i drugich mogę zapewnić, że znajdą tu odpowiedzi na wiele pytań, których gdzie indziej nie znajdowali.

Ostatni rozdział zawiera konkretne propozycje, jak szybko ograniczyć smog w Polsce. Niekoniecznie są tam dobre wiadomości. Smogu w Polsce nie zlikwiduje najmądrzejszy nawet rząd. Musimy to zrobić wszyscy, wielkim i solidarnym wysiłkiem finansowym i organizacyjnym, zarówno rząd, jak i samorządy, obywatele i przedsiębiorcy.

Książka ta nie powstałaby bez pomocy wielu osób. Końcowy jej kształt bardzo zyskał dzięki cennym i wielce trafnym uwagom i radom obu Recenzentów, którym za nie serdecznie dziękuję. Wiele podziękowań jestem winien specjalistom, którym zawdzięczam liczne konsultacje, rady, dane i literaturę. Pozwolę sobie wymienić ich alfabetycznie, zachowując pierwszeństwo Pań: Krystyna Kubica, Barbara Piekarska, Łukasz Adamkiewicz, prof. Artur Badyda, Andrzej Guła, Ryszard Listwan, prof. Michał Krzyżanowski, prof. Andrzej Manecki, Janusz Mazur, Krzysztof Skotak, Sławomir Stelmach i Tomasz Terlecki. Lista ta nie jest kompletna. Dzięki życzliwości prof. Roberta F. Phalena książkę wzbogaciły ilustracje wykonane w The University of California Air Pollution Health Effects Laboratory. Dziękuję również Wydawnictwu Naukowemu PWN za sprawną i bardzo profesjonalną współpracę, kierowaną przez wydawcę, red. Karola Zawadzkiego.

Szczególną wdzięczność pragnę wyrazić mojej żonie Basi, współautorce naszej poprzedniej książki o ochronie środowiska. Jest ona autorką większości ilustracji, podjęła się też niewdzięcznej pracy - uważnej lektury pierwszej wersji tekstu, która mogła służyć za przykład, jak nie pisać książek.

Piotr Kleczkowski

Kraków, wrzesień 2019

1

Krótka historia smogu

1.1. Smog na świecie

Czy warto zajmować się tym co było, w innych realiach cywilizacyjnych? Warto, bo zobaczymy, że w czasach nieporównanie gorszych warunków życia i śladowej wiedzy medycznej oddychanie brudnym powietrzem budziło sprzeciw i skłaniało do działania. W Polsce jesteśmy dziś na początku drogi, którą wszystkie rozwinięte kraje już przeszły. Warto uświadomić decydentom i niechętnej zmianom części społeczeństwa, że drogi tej ominąć się po prostu nie da, a im szybciej ją przejdziemy, tym lepiej.

Określenie "smog", skrót od smoke (dym) i fog (mgła), zostało prawdopodobnie użyte po raz pierwszy w 1905 r. przez brytyjskiego lekarza i badacza H.A. Des Voeux. Upowszechniło się za sprawą raportu tegoż autora na temat skutków kryzysów smogowych w Glasgow i Edynburgu w okresie jesieni 1909 r., którym przypisano 1000 zgonów (Brimblecombe i Makra, 2005). Dziś smogiem przyjęło się nazywać każdą kombinację zanieczyszczeń powietrza, również bez wilgoci. Mgła zwiększa szkodliwość zanieczyszczeń, ponieważ tlenki siarki i azotu w kontakcie z wodą tworzą kwasy siarkowy i azotowy.

W historii ludzkości zanieczyszczenie powietrza wiąże się nierozerwalnie ze stosowaniem ognia. Najwcześniejsze znane archeologom dowody wskazują na jego użycie około milion lat temu (Berna i in., 2012). Nasz przodek żył w chacie, w której płonęło palenisko, dla ogrzewania lub podgrzewania pożywienia. Dym wypełniał całe pomieszczenie, ale przodek myślał i zrobił jakiś otwór w zadaszeniu, którym dym się wydostawał. Wynalazkiem komina prawdopodobnie przez długi czas cieszyły się tylko wyższe warstwy społeczne, w Wielkiej Brytanii jego powszechne stosowanie datuje się prawdopodobnie dopiero od późnego XVI w. (Brimblecombe, 2012). Badanie zmumifikowanych albo zamrożonych szczątków ludzkich ujawnia zazwyczaj zawartość sadzy w tkankach płuc, bez względu na obszar geograficzny, w którym znaleziono szczątki.

Jeden z pierwszych dokumentów pochodzi z 900 r. p.n.e. Król Egiptu Tukulti opisał nieznośny odór z kopalni bitumu w wiosce Hit na zachód od Babilonu (Vallero, 2006). Zapewne chodziło o wydzielające się siarkowodór i dwutlenek siarki.

W starożytnej Grecji strażnicy miejscy byli odpowiedzialni za jakość środowiska, w tym za robienie porządku z uciążliwymi zapachami.

W Rzymie produkcję szkła, związaną z intensywnym wydzielaniem dymu przeniesiono na przedmieścia. Około 61 r. n.e. Seneka Młodszy w ślad za radami swojego medyka opuścił Rzym i wkrótce potem pisał w liście o zmianie swojego samopoczucia, jaką odczuł, uwalniając się od "ciężkiego powietrza" i "smrodów kominów".

Mosze Majmonides, żydowski filozof i medyk udokumentował wpływ brudnego powietrza na zachorowalność i śmiertelność dzieci w Kairze w II poł. XII w.

Długą i udokumentowaną historię zmagań ze smogiem ma Anglia. Sprawczynią pierwszej spisanej relacji z 1257 r. była żona króla Henryka III, Eleonora Prowansalska. Na zamku w Nottingham prowadzono remont, spalając znaczne ilości węgla, co zmusiło królową do jego opuszczenia, ponieważ powietrze było "nie do wytrzymania" i mogło zaszkodzić jej zdrowiu. Obawa przed pogorszeniem stanu zdrowia w tej relacji świadczy, że związek taki wyraźnie wtedy obserwowano, potwierdzają to też inne średniowieczne zażalenia na brudne powietrze.

W tych czasach węgiel kamienny zwany "sea-coal" (prawdopodobnie z powodu sprowadzania go drogą morską) stopniowo zastępował w Anglii drewno jako paliwo, ponieważ dostępność drewna była coraz mniejsza w wyniku intensywnej wycinki lasów. Już w 1273 r. w Londynie wprowadzono pierwszą regulację prawną - zakazano używania "sproszkowanego węgla" (Brimblecombe, 2012), czyli miału, co stoi w zabawnym kontraście z Polską roku 2019, w której jego spalanie ciągle nie jest ograniczone, z wyjątkiem wojewódzkich uchwał antysmogowych o niskiej niestety skuteczności (patrz rozdz. 8.6.2).

Już wtedy istotnym źródłem smogu był przemysł. Szczególnie dużo węgla spalano przy wypalaniu wapienia w celu produkcji wapna, ocenia się, że w Londynie były to tysiące ton. Spalano też węgiel przy produkcji ceramiki, szkła, żelaza i stali.

W 1285 r. w Londynie problem uważano za na tyle poważny, że powołano komisję do jego zbadania. W 1306 r. aktem proklamacji zakazano używania węgla w piecach do wypalania wapienia i w kuźniach. Jednak już w dwa tygodnie później wydano ogłoszenie prawne, z którego można wnioskować, że proklamacja została powszechnie zignorowana. Powtarzana jest historia, że jeden z pierwszych, którzy złamali to zarządzenie był torturowany i powieszony, jednak nikt nie wskazał oryginalnego dokumentu, który by ją potwierdzał.

Trudno jest ocenić skuteczność zakazu z 1306 r. Istnieją doniesienia, że w XIV w. węgiel nadal był stosowany przez kowali i w produkcji wapna.

W 1377 r., po prawnych sporach, w Londynie wprowadzono minimalną obowiązującą wysokość komina (Brimblecombe, 2012). Król Henryk IV (panował w latach 1399-1413) ponownie powołał komisję do spraw węgla. Ryszard III (panował w latach 1483-1485) wprowadził wysoki podatek od używania węgla.

Dokumenty wskazują, że już wtedy zdawano sobie sprawę, że dym szkodzi nie tylko ludziom, ale przynosi też straty materialne. W XIV w. Thomas Yonge wraz z żoną wnieśli skargę do londyńskiego sądu rozstrzygającego spory sąsiedzkie, że:

Udokumentowana obrona pozwanego zakładu wytwarzającego zbroje przypomina do złudzenia argumentację, którą w podobnych okolicznościach posługiwałby się zapewne współczesny drobny przedsiębiorca. Otóż zbrojarze utrzymywali, że są uczciwymi przedsiębiorcami i powinni korzystać ze swobody prowadzenia działalności w dowolnym miejscu miasta i dowolnego zaadaptowania własnego lokalu do potrzeb ich działalności. Odrzucili skargę, powołując się na fakt, że kuźnia pracowała tam od dawna, a komnaty narażone na dym zbudowano później.

Król Henryk II we Francji (XVI w.) zakazał prowadzenia kuźni w miastach z powodu wytwarzanego przez nie dymu.

W 1661 r. król Karol II w Anglii powołał kolejną komisję do zbadania problemu dymu i ograniczenia jego emisji. W tym samym roku John Evelyn opublikował pierwszą rozprawę naukową o londyńskim powietrzu "Fumifugium or the Inconvenience of the Aer and the Smoak of London Dissipated", gdzie między innymi trafnie wskazywał najbardziej narażone grupy, a w książce "A Character of England" pisał, że Londyn

Percivall Pott, znany londyński chirurg, opisał w 1775 r. liczne przypadki szczególnego typu nowotworu skóry wśród kominiarzy i powiązał je z kontaktem z sadzą. Była to prawdopodobnie pierwsza w historii medycyny udokumentowana obserwacja wpływu chemicznych kancerogenów (Phalen i Phalen, 2013), a jednocześnie pierwsza obserwacja nowotworowej choroby zawodowej.

Rewolucja przemysłowa przyniosła zaostrzenie problemu w skali światowej, jednak główne wysiłki były wtedy skierowane na dostarczanie wody pitnej, odprowadzanie ścieków i pozbywanie się odpadów stałych.

W mieście Manchester już od XVI w. sądy konsekwentnie nie pozwalały na utrudnianie życia sąsiadom, na przykład przez nadmierną emisję dymu, włącznie z nakazywaniem zamykania i przenoszenia działalności gospodarczych w inne miejsca. Nie można było bronić się argumentem, że prawo na tę działalność zezwala i jest ona potrzebna. Twórca maszyny parowej James Watt zanotował na przykład, że:

W 1800 r. w Manchesterze powołano Komisję do spraw Niedogodności. Komisja uważała, w sposób niejako wizjonerski, że kominy powinny "konsumować" własny dym. Niestety nie podała szczegółów technicznych, jak należało to zrealizować. Od 1808 r. kominy były pod nadzorem Komisji, z inicjatywy której władze policyjne powoływały "Inspektorów Niedogodności". W 1875 r. w Wielkiej Brytanii wprowadzono Prawo o Zdrowiu Publicznym, w którym zdefiniowano "niedogodność" i zobowiązano władze lokalne do wyznaczenia kontrolerów sanitarnych uprawnionych do wchodzenia do nieruchomości i inspekcjonowania ich oraz do egzekwowania prawa.

Możemy zauważyć kolejne podobieństwo między XIX-wieczną Wielką Brytanią a obecną Polską. W wiktoriańskiej Anglii dostrzegano problem dymu, ale społeczeństwo na fali ogromnego rozwoju gospodarczego i dobrobytu było raczej zaniepokojone możliwością obciążania przemysłu regulacjami ograniczającymi zanieczyszczenia. Z drugiej strony, budziła się aktywność bardziej świadomej ekologicznie części społeczeństwa, która nie chciała godzić się, aby dobrobyt był jednoznaczny z zadymieniem. W mieście York z powodu mniejszej skali przemysłu problem nie był tak dotkliwy, jak w Manchesterze, ale brakowało skutecznego prawa lokalnego. W 1850 r. setki mieszkańców Yorku podpisały petycję do burmistrza "W sprawie kłopotu z dymem". Prosili w niej Radę Miasta o "właściwy nadzór i kontrolę w tej sprawie, taką, która w innych miastach okazała się wystarczająca dla rozwiązania problemu kłopotliwego dymu" (Brimblecombe i Makra, 2005).

Jednocześnie jednak, nawet w racjonalnej Anglii, dobrze miały się mity podważające zasadność ograniczania dymu. W XIX w. szerzono teorie, jakoby otwarty ogień z kominków, którymi Brytyjczycy ogrzewali swoje domy był powodem świeżości ich cery, a także rzadszej niż w innych krajach potrzeby noszenia okularów przez młodych ludzi (Brimblecombe, 2012).

W Stanach Zjednoczonych ograniczanie dymu było domeną władz samorządowych, brak było uregulowań federalnych. Pierwsze lokalne zarządzenia wydano w dekadzie 1880-1890 i wymierzone były bardziej przeciwko emisjom z przemysłu, lokomotyw i statków niż emisjom z gospodarstw indywidualnych.

Już w XIX w. wprowadzano pierwsze rozwiązania techniczne, ograniczające emisje zanieczyszczeń: przesuwne ruszty w kotłach węglowych zamiast nieruchomych; płuczka do usuwania gazów, głównie dwutlenku siarki i siarkowodoru; cyklon, czyli urządzenie odpylające wykorzystujące siłę odśrodkową, oraz filtry tkaninowe. W 1888 r. francuski profesor inżynierii rolniczej Maximilien Ringelmann wynalazł metodę pomiaru stopnia zapylenia powietrza. W 1906 r. wynaleziono pierwszy filtr elektrostatyczny.

Z początkiem XX w. pojawiło się nowe źródło zanieczyszczenia - samochody. Nastąpiła też zmiana technologiczna - silnik parowy był coraz częściej zastępowany silnikiem elektrycznym, co oznaczało przeniesienie rozproszonych lokalnych źródeł emisji do większych i rzadziej rozmieszczonych - elektrowni, w których węgiel stopniowo zastępowano mniej emisyjnymi paliwami, czyli ropą naftową a nawet gazem.

W 1930 r. nastąpił pierwszy z serii kryzysów smogowych, które raczej należy nazywać katastrofami ekologicznymi. Dolina rzeki Mozy w Belgii na odcinku ok. 20 km między miastami Huy a Liege była terenem silnie uprzemysłowionym, z pięcioma koksowniami, czterema stalowniami, czterema elektrowniami, trzema zakładami metalurgicznymi, fabryką nawozów sztucznych, fabryką kwasu siarkowego, sześcioma fabrykami produkującymi szkło, trzema hutami cynku, ważnymi szlakami kolejowym i drogowym. Zabudowania w całym regionie były ogrzewane węglem. Dno doliny leżało ok. 100 m poniżej otaczających ją wzgórz, co sprzyjało powstawaniu mgły i tworzyło wyjątkowo niekorzystne warunki przewietrzania. W ciągu pięciu dni od 1. grudnia wystąpiły jednocześnie wszystkie niekorzystne czynniki meteorologiczne: niska temperatura wymagająca intensywnego ogrzewania, mgła i brak wiatru. W dniach 4. i 5. grudnia zmarły 63 osoby, większość po zaledwie kilkugodzinnym kryzysie samopoczucia (Firket, 1936), w tym 56 osób w rejonie miejscowości Engis, 10-krotnie więcej niż wynosiła średnia liczba zgonów w tym rejonie. Większość zgonów była w dwóch grupach: osób starszych i osób ze schorzeniami serca lub płuc. Zachorowało łącznie 6000 osób. Wystąpiły również liczne uduszenia wśród bydła. Poziomy zanieczyszczenia nie były mierzone, ale późniejsze oszacowania wskazały na wysoki poziom pyłów i dwutlenku siarki.

Podobne warunki geograficzne - dolina rzeczna - są w mieście Donora w USA, w Pensylwanii. W liczącej w 1948 r. 15 000 mieszkańców Donorze były cztery stalownie, huta cynku, elektrownia i fabryka szkła, transport kolejowy i rzeczny, w którym wtedy pracowały jeszcze parowce. Powszechnie stosowano ogrzewanie węglowe. W dniach 25-31 października 1948 r. wystąpiła stagnacja powietrza i niezwykle gęsta mgła, o widoczności na 15 m. Na podstawie średniej, w tym okresie można było przewidywać wystąpienie 1-2 zgonów, jednak nastąpiło ich 20. Około 40% mieszkańców odczuło skutki zdrowotne. Podobnie jak w katastrofie z doliny Mozy, najbardziej narażone były osoby ze schorzeniami serca i płuc (Phalen i Phalen, 2013). Ucierpiały zwierzęta hodowlane, szczególnie kurczęta.

Londyn przeżył kilka epizodów smogowych: w 1813 r., w 1873 r., gdy śmiertelność była o 40% wyższa niż średnia, w latach 1880, 1882, 1891, 1892 i 1948, zawsze w okresie listopad - luty. Najgorszy stan powietrza był zazwyczaj w dzielnicy East End, o najgęstszym zaludnieniu i zagęszczeniu przemysłu, a przy tym najniżej położonej. Najpoważniejsza i najszerzej znana katastrofa smogowa to tak zwany Wielki Smog Londyński. W okresie od 5. do 8. grudnia 1952 r. warunki meteorologiczne były zbliżone do wyżej opisanych, przy czym warstwa inwersyjna ograniczająca pionowy ruch powietrza (więcej w rozdz. 2.7.4) była na wyjątkowo niskiej wysokości ok. 100 m. Ocenia się, że w okresie katastrofy z powodu fatalnej jakości powietrza zmarło ok. 4000 osób, a łącznie w ciągu kilkunastu tygodni po niej ok. 12 000. 100 000 osób wymagało hospitalizacji. Czynnikami ryzyka u 80% zmarłych były: choroby serca lub płuc, wiek powyżej 45 lat albo poniżej jednego roku. Dane pomiarowe dotyczące tej katastrofy znajdują się w rozdz. 6.1.1.

Ówczesny stan świadomości dobrze ilustruje informacja, że w okresie Wielkiego Smogu prasa donosiła przede wszystkim o trudnościach z transportem, a także o odwołaniu imprez sportowych, wyraźnym wzroście przestępczości, do czego zachęcała słaba widoczność, oraz o przypadkach uduszenia się cennych sztuk bydła. Gwałtowną falę zachorowań i zgonów prasa dostrzegła znacznie później. Pomimo publicznego oburzenia z powodu zaistnienia katastrofy zdrowotnej, odpowiedzialny za tę sferę minister do spraw mieszkalnictwa i administracji lokalnej przez wiele miesięcy odmawiał zajęcia się tym problemem, ponieważ rząd zajęty był realizacją obietnicy wyborczej powstania 300 000 nowych domów. Okazało się też, że w ministerstwie miał tylko jednego pracownika odpowiedzialnego za wszystkie aspekty zanieczyszczenia powietrza. Parker (2005) uważa, że powodem braku reakcji władz były zbliżające się wybory. W Partii Konserwatywnej obawiano się reakcji elektoratu na jakiekolwiek kroki, które byłyby podjęte w związku z emisją zanieczyszczeń z domowych palenisk węglowych. Ostatecznie minister ustąpił i w maju 1953 r. powołano tzw. komisję Beavera, która miała zanalizować zagrożenie i zaproponować rządowi podjęcie odpowiednich działań.

W debacie publicznej na ten temat przeciwnicy regulacji antysmogowych przedstawiali te same argumenty, które można usłyszeć i w dzisiejszej Polsce.

a) Ograniczenia w spalaniu węgla zaszkodzą brytyjskiemu górnictwu.

b) Mniej zamożnej części społeczeństwa nie będzie stać na poniesienie kosztów nowych źródeł ogrzewania i paliw (Parker, 2005).

Warto jednak zauważyć, że oba okresy dzieli 65 lat, całkowicie inne realia ekonomiczne, całe generacje technologii grzewczych oraz że siła nabywcza przeciętnego współczesnego mieszkańca Polski jest znacznie wyższa od tej, którą dysponował ówczesny mieszkaniec Wielkiej Brytanii.

Ostatecznie w 1956 r. uchwalono przełomowy Clean Air Act. Jego podstawą była prosta wizualna ocena jakości powietrza i wprowadzenie podstawowej zasady, że nie wolno emitować tzw. czarnego dymu. Liberalnie ustalony okres adaptacji do nowych przepisów spowodował, że poprawa nie następowała szybko i kolejna katastrofa smogowa nawiedziła Londyn jeszcze raz w 1962 r., zabierając życie 750 mieszkańcom. Jednak efekt nowego prawa w skali całego kraju był spektakularny. Średnie stężenie pyłu w 1958 r. wynosiło 180 ?g/m3, a w dziesięć lat później w 1968 r. już tylko 65 ?g/m3. Był to tak zwany pył całkowity, wartości te można prawdopodobnie porównać odpowiednio do ok. 125 i 45 ?g/m3 mierzonego dziś pyłu PM10. W tym samym czasie nasłonecznienie Londynu w zimie wzrosło o 50% (First Report, 1971).

W Stanach Zjednoczonych pierwszą federalną ustawę o jakości powietrza uchwalono w 1955 r., a pierwszą ustawę pozwalającą skutecznie je chronić (Clean Air Act) w 1963 r. Przed 1980 r. w USA, Japonii, Niemczech, Wielkiej Brytanii, Francji, Holandii i Szwecji powstały centra badań nad zanieczyszczeniem powietrza. W wielu krajach rozwiniętych uchwalano akty prawne chroniące jakość powietrza. Wprowadzano też, szczególnie w dekadzie lat 80., liczne zmiany technologiczne w przemyśle, mające na celu znaczącą redukcję dwutlenku siarki, pyłów i tlenków azotu, oraz urządzenia redukujące emisję z pojazdów spalinowych. Szybko postępował proces wymiany systemów ogrzewania z zasilanych węglem na zasilane gazem ziemnym, energią elektryczną lub ropą naftową. W Stanach Zjednoczonych rozpoczął się on już w 1940 r., w którym węglem ogrzewano 55% domów, w 1970 r. już tylko 2,9%, a od 2000 r. odsetek ten ustabilizował się na poziomie 0,1% (USCB, 2000).

Z początkiem lat 60. XX w. zanieczyszczenie powietrza w gęsto zaludnionym przemysłowym zagłębiu Ruhry w Niemczech osiągnęło apogeum. Wielkie piece, stalownie i elektrownie w większości nie były wyposażone w żadne urządzenia ograniczające emisje. W tej aglomeracji notowano wielokrotnie większą zachorowalność na choroby układu oddechowego niż innych regionach Niemiec. Po epizodach smogowych śmiertelność rosła zazwyczaj o ok. 30%. Dzieci w aglomeracji ważyły mniej i miały znacząco niższy wzrost niż w słabo zaludnionych obszarach tego samego kraju związkowego - Północnej Nadrenii-Westfalii. Podobne cechy wykazywało bydło hodowane w zagłębiu. Inaczej niż w Wielkiej Brytanii i obecnej Polsce, władze lokalne i federalne rozpoczęły przygotowanie aktów prawnych służących poprawie jakości powietrza, wyprzedzając nacisk społeczny, już w końcu lat 50. Jednym z pierwszych, którzy wszczęli alarm był kandydujący (wtedy nieskutecznie) na urząd kanclerza Willy Brandt, który żądał, aby "niebo nad [regionem] Ruhry stało się znów niebieskie". Brandt został wyśmiany, jego postulaty opinia publiczna uważała za "myślenie życzeniowe", a problem choć dostrzegany, uważany był za nie do uniknięcia i nierozwiązywalny. Jednak już w 1964 r. uchwalono prawo, które jest nie do pomyślenia w dzisiejszej Polsce - nakazujące wstrzymywanie produkcji przemysłowej i ograniczanie a nawet zakaz ruchu pojazdów w dniach poziomu alarmowego zanieczyszczeń, przy czym kryteria tego poziomu były szybko i systematycznie obniżane. Dziś uważa się, że z uwagi na incydentalny charakter tych środków miały one niewielkie znaczenie dla obniżenia poziomu smogu, ale pobudziły społeczną świadomość problemu. Inne energiczne działania legislacyjne doprowadziły do obniżenia łącznej emisji pyłu z przemysłu ciężkiego w aglomeracji z 200 000 ton w 1965 r. do 50 000 w 1975 r. Emisję ołowiu do 1998 r. obniżono o 95% (Ahlers, 2015).

Spektakularnym przykładem sukcesu ludzkości w eliminacji zanieczyszczeń powietrza jest obrona warstwy ozonowej. Niszczenie tej warstwy zostało skutecznie opanowane w skali świata za sprawą Protokołu z Montrealu z 1987 r., który przewidywał, że całkowite zaprzestanie emisji substancji najbardziej dla niej szkodliwych nastąpi do 2000 r., co oczywiście oznaczało konieczność poniesienia znacznych wydatków przez kilka branż przemysłu. Jednak niepokojące wyniki pomiarów przeprowadzonych przez agencję NASA spowodowały, że w 1992 r. termin ten przyspieszono do 1996 r. Dziura ozonowa znikła z listy niebezpieczeństw zagrażających ludzkości. Pokazuje to, że przy odpowiedniej woli politycznej społeczność międzynarodowa potrafi skutecznie eliminować tworzone przez ludzi zagrożenia.

1.2. Smog w Polsce

Pionierem badań zanieczyszczeń powietrza w Polsce był prof. Jan Juda, który już w 1958 r. prowadził na Politechnice Warszawskiej analizę mineralogiczną drobnych pyłów. Założył on pracownię wyposażoną w nowoczesną aparaturę pomiarową. Prof. Juda zajmował się też filtrami do przemysłowych urządzeń odpylających, nowatorskim wtedy modelowaniem rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powietrza, a także rachunkiem zysków i strat w ochronie powietrza.

Pierwsze w Polsce badania pyłów prowadzono w Warszawie, ale ruchy na rzecz ochrony środowiska wywodzą się z Krakowa. Prekursorem ochrony przyrody w latach 20. XX w. był botanik prof. Władysław Szafer z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Po II wojnie światowej w Krakowie powstało mocne środowisko naukowe wspierające ochronę przyrody. Ważną rolę odegrał w nim prof. Walery Goetel z Akademii Górniczo-Hutniczej, geolog, taternik i alpinista, który już w latach międzywojennych udzielał się w międzynarodowych działaniach na rzecz ochrony przyrody. W latach 60. proponował oryginalną nazwę dla tej dziedziny wiedzy: sozologia (od greckiego sodzo, chronię). Być może gdyby nie ówczesna izolacja Polski, dzięki W. Goetlowi świat miałby trafniejszy termin niż powszechnie dziś przyjęta "ekologia". Prof. Goetel był autorem powiedzenia, które ciągle zachowuje aktualność:

Stopniowo w tym środowisku narastała świadomość, że ważna jest nie tylko ochrona przyrody dla niej samej (co dziś nazywamy ochroną bioróżnorodności), ale też zachowanie walorów natury dla człowieka, a przede wszystkim ochrona samego człowieka (Manecki, 2015) przed truciznami, które sam ochoczo wytwarza.

W II połowie XX w. Górny Śląsk i okolice Krakowa stawały się terenami klęski ekologicznej. Intensywnie rozbudowywano przemysł ciężki, początkowo pozbawiony jakichkolwiek urządzeń do ograniczania emisji zanieczyszczeń powietrza.

W Szopienicach, obecnie dzielnicy Katowic, pracowała huta ołowiu zbudowana jeszcze w 1864 r. Od dawna obserwowano tam liczne przypadki ołowicy wśród pracowników huty i mieszkańców. W początku XX w. w Szopienicach powstała szkoła specjalna dla dzieci upośledzonych umysłowo. Szczyt produkcji huty przypadł na połowę lat 70. Według jednego z wyliczeń odsetek dzieci upośledzonych w Szopienicach wynosił wtedy 13%. W tym czasie dr Jolanta Wadowska-Król z własnej inicjatywy przeprowadziła badania ok. 5000 dzieci mieszkających w pobliżu huty. Według ówczesnych liberalnych norm 1000 spośród nich cierpiało na ołowicę, według obecnych norm byłoby ich znacznie więcej. Huta była dumą ówczesnych władz i nie mogła być posądzona o powodowanie ołowicy. Nazwa tej jednostki chorobowej nie mogła się więc pojawić, oficjalnie dzieci były kierowane na "obserwację", której wynik był "pozytywny" albo "negatywny". Dr Wadowska-Król skierowała do sanatoriów ok. 2000 dzieci, część z nich dzięki nieoficjalnej przychylności władz udało się przeprowadzić nieco dalej od huty. Jednak niektórzy ojcowie chorych dzieci, doceniając wysiłki dr Wadowskiej-Król jednocześnie wyrażali obawy o swoje zatrudnienie w przypadku zamknięcia huty (Przybytek, 2015).

Diagnozę o szkodliwości huty wykonał w tamtych czasach dla Ministerstwa Przemysłu Ciężkiego zespół ekspertów z Akademii Górniczo-Hutniczej (AGH) w Krakowie. Jej wyniki zostały utajnione, autorom zakazano ich publikacji.

Historia sukcesu jak z dreszczowca. W bezpośrednim sąsiedztwie Krakowa zbudowano hutę żelaza (im. Lenina), hutę aluminium, koksownię, cementownię i elektrociepłownię. Huta aluminium powstała w Skawinie w 1954 r. wraz z elektrownią węglową, jak przystało na te czasy pozbawioną urządzeń odpylających. Po kilkunastu latach była już widoczna dramatyczna degradacja okolicznego środowiska. Wokół hal produkcyjnych znikła roślinność, spadła urodzajność gleb, wyginęły pszczoły, a nawet wrzosy w okolicznych lasach. Wśród pracowników huty zanotowano początki fluorozy, a w stopniu zaawansowanym, prowadzącym do łamliwości kości stwierdzono ją u bydła. W latach 70. na choroby wynikłe z oddziaływania fluoru zapadało rocznie 50 na 2300 pracowników huty. Średnia zapadalność na te choroby w Polsce wynosiła wtedy 60 przypadków na 100 000 osób, co oznacza ryzyko względne (więcej w rozdz. 6.4.1) pracowników huty o wysokiej wartości 36. W 1980 r. oceniano, że emisja fluoru była czterdziestokrotnie wyższa niż w nowoczesnych (wtedy) hutach aluminium (PKE, 1981).

Z początkiem lat 70. dyrektor huty zwrócił się do ekspertów AGH o zbadanie przyczyn tych zjawisk. Jednym z dwóch zespołów kierował prof. Andrzej Manecki, który wspomina (Manecki, 2015):

Huta korzystała z prastarej francuskiej technologii z lat 20. XX w., która poprzez Rosję Radziecką w 1950 r. trafiła do Polski. Wyniki badań opublikowano, jednak ówczesna cenzura wykreśliła z tekstu nazwę huty i jej lokalizację.

Tymczasem w Krakowie rosło w siłę grono uczonych przekonanych o konieczności ochrony środowiska. W 1980 r. powstał tu Polski Klub Ekologiczny (PKE), jedna z niewielu wtedy prawdziwie niezależnych organizacji pozarządowych. Przy wojewodzie powołano pierwszą w kraju Radę Ochrony Środowiska. Rozpoczęto batalię o poprawę stanu środowiska w mieście i jego otulinie. Wspierała ją większość dziennikarzy, zespół Solidarności ds. ochrony środowiska i Ruch Franciszkański. W gremiach tych panował pogląd, że hutę w Skawinie trzeba po prostu zamknąć, a nie modernizować. Słynnym wydarzeniem było zorganizowane w wypełnionej po brzegi auli AGH w grudniu 1980 r. burzliwe forum dyskusyjne na temat przyszłości huty, trwające prawie sześć godzin. Zabierali głos eksperci z AGH i innych ośrodków badawczych, ekonomiści, lekarze, przedstawiciele huty i władz lokalnych.

Pod koniec roku Wojewódzka Rada Ochrony Środowiska zaakceptowała opracowanie eksperckie profesorów Andrzeja Maneckiego z AGH i Władysława Grodzińskiego z Uniwersytetu Jagiellońskiego, wykazujące konieczność zaprzestania produkcji. Ten sam wniosek zawierała ekspertyza PKE. Poparły go rady kilku wydziałów AGH i Politechniki Krakowskiej i komisja Solidarności. Wspierał go również organ ówczesnej niedemokratycznej władzy lokalnej - Wydział Ochrony Środowiska miasta Krakowa (Manecki, 2015).

Bardzo szybko, już w początku stycznia 1981 r. nastąpiła sensacja: Minister Przemysłu Ciężkiego wydał decyzję o zamknięciu huty. Decyzja była bezprecedensowa i zaskakująca, biorąc pod uwagę, że huta była strategicznym zakładem w ramach ówczesnego bloku wschodniego, a znacząca część jego produkcji przeznaczona była dla wojska. Był to pierwszy taki przypadek w tym bloku. Należy też docenić zupełnie dziś niespotykane tempo jej podjęcia.

Nie był to koniec tej historii. W niecały rok później nastąpił stan wojenny. Siły wsteczne przystąpiły do kontrataku. W jednym z periodyków pojawił się agresywny artykuł wzywający do rozliczenia profesorów, którzy przyczynili się do zamknięcia zakładu, ponieważ ich ukrytym celem było "zniszczenie gospodarki narodowej". Profesorom jednak włos z głowy nie spadł, za to po zabiegach rekultywacyjnych (opracowanych w AGH) po kilku latach do środowiska wokół byłej huty powróciło życie, a mieszkańcy poczuli się lepiej.

Kraków - ciąg dalszy. W 1984 r. kierowany przez profesorów Macieja Nowickiego i Jana Judę zespół z Politechniki Warszawskiej przeprowadził obszerny i pionierski program badań jakości powietrza w Krakowie. Warto docenić, że badania przeprowadzono z inicjatywy wspomnianego wyżej Wydziału Ochrony Środowiska. W wyniku tego programu sformułowano wniosek:

Dziś wiemy, że "jak najszybsze" wyeliminowanie palenisk w Krakowie w większości zrealizowano po długich 35 latach, a reszta kraju jest właśnie na samym początku tej drogi. Warto też dodać, że wśród wniosków wymieniano zaplanowanie optymalnej kolejności likwidacji lokalnych kotłowni i pieców węglowych, bardzo pragmatyczny aspekt, którego nie uwzględniają obecne programy poprawy jakości powietrza.

Pomimo proekologicznych haseł towarzyszących demokratycznemu przełomowi 1989 r. twarde realia transformacji ekonomicznej zepchnęły je na bardzo daleki plan. Proces oczyszczania powietrza następował powoli i głównie w wyniku upadku wysokoemisyjnego przemysłu ciężkiego. Przyspieszenie obniżania emisji przemysłowych zawdzięczamy procesowi dostosowania do standardów europejskich. W zakresie emisji z ogrzewania indywidualnego, drobnej przedsiębiorczości i transportu nastąpił całkowity zastój a nawet wzrost emisji.

Skawinie udało się w 1981 r., ale sam Kraków musiał długo jeszcze znosić gigantyczne emisje pyłów i dwutlenku siarki ze stalowni martenowskiej w kombinacie hutniczym. Technologia ta była jeszcze bardziej przestarzała, pochodziła bowiem z XIX stulecia. Decyzję o zamknięciu stalowni podjęto w połowie 1991 r., a więc dopiero w dwa lata po utworzeniu rządu niekomunistycznego. Pracowników stalowni nie przekonały żadne argumenty ekologiczne, a jedynie ekonomiczne, wskazywane zresztą przez pracowników AGH, że przestarzała technologia martenowska doprowadzi hutę wkrótce do upadku finansowego i trzeba pozostawić jedynie produkcję technologią konwertorową.

Z początkiem lat 90. Kraków uzyskał pomoc w ograniczaniu tak zwanej niskiej emisji ze strony Departamentu Energetyki USA. Zlikwidowano szereg lokalnych kotłowni węglowych i rozwinięto sieć ciepłowniczą. Modernizowano duże kotłownie węglowe i zmniejszano ich emisję. W kamienicach w ścisłym centrum Krakowa zainstalowano ponad 40 kotłów gazowych, likwidując kotły i piece węglowe.

W tym samym okresie wielu właścicieli nieruchomości w całej Polsce zmieniało ogrzewanie węglowe na gazowe. Niestety wzrost cen gazu spowodował, że później, przy całkowitej bierności państwa, nastąpiła paradoksalna fala przywracania przestarzałej i szkodliwej techniki węglowej. Świadomość złego stanu powietrza istniała, w pierwszej dekadzie XXI w. na mocy ustawy o ochronie środowiska powstawały programy ochrony powietrza. Programy były, a powietrze pozostawało brudne. Stan zastoju mógłby trwać jeszcze długo, gdyby po raz drugi (po fali z lat 70./80.) inicjatywy nie podjęli aktywiści.

W 2012 r. nastąpiło wydarzenie, dzięki któremu o smogu ponownie zaczęto mówić głośno. W Krakowie zebrała się mała grupka aktywistów i postanowiła wreszcie zrobić coś ze smogiem. Przyjęła nazwę Krakowski Alarm Smogowy. Zmobilizowali opinię publiczną, organizowali akcje ulotkowe i plakatowe oraz marsze protestu. Jeden z nich przedstawia fotografia na rys. 1.1. Zaprosili do współpracy ekspertów i przekonywali władze. We wszystkim wykazali godną podziwu determinację. Ciąg dalszy tej historii nastąpi pod koniec książki, a w tym miejscu trzeba jeszcze dodać, że w ślad za krakowskim zaczęły powstawać liczne inne "alarmy" w całej Polsce, które później przyjęły wspólną nazwę Polski Alarm Smogowy.

2

Powietrze i jego przepływy

Powietrze jest mieszaniną gazów, która tworzy atmosferę Ziemi, uważaną za najbardziej zewnętrzną część planety. Według myśli klasycznej (Empedokles) powietrze, obok ziemi, wody i ognia, było jednym z elementów, z których zbudowany jest świat.

2.1. Miary ilości substancji w powietrzu

Miarę zawartości danej substancji w powietrzu, czyli jej stężenie, możemy określić na dwa sposoby - objętościowy i masowy. Zgodnie z pierwszym sposobem podajemy objętość substancji przypadającą na określoną objętość powietrza, typowo na jeden metr sześcienny, rzadziej na jeden litr. Takie przedstawienie zawartości jest bezwymiarowe. Możemy wyrazić je w procentach, jak w tabelach 2.1 i 2.2. Równoznacznym sposobem jest podawanie liczby cząsteczek gazu w określonej liczbie cząsteczek powietrza, typowo w jednym milionie. Tę miarę oznaczamy jako "ppm" (parts per million), ewentualnie "ppmv" dla podkreślenia, że chodzi o stosunek objętości a nie stosunek mas. Dla substancji występujących w bardzo małych stężeniach jest używana też jednostka "ppb" (parts per billion), która oznacza liczbę cząsteczek na jeden miliard (zgodnie z amerykańskim znaczeniem liczebnika billion), a także "ppt" (parts per trillion), czyli liczba cząsteczek na bilion (1012). Rzadziej stosowaną odmianą tej miary zgodną z systemem SI, jest ?mol/mol, gdzie mol jest liczbą Avogadra cząsteczek (6,02 - 1023). Zaletą sposobu objętościowego jest niewrażliwość podanego w ten sposób stężenia na zmiany ciśnienia i temperatury.

Zgodnie ze sposobem masowym podajemy masę substancji przypadającą na metr sześcienny powietrza. Jednostkami są mg/m3, ?g/m3, ewentualnie ng/m3 w odniesieniu do substancji o znaczącym wpływie na zdrowie lub środowisko już w bardzo niskich stężeniach. Inaczej niż w przypadku sposobu objętościowego, sposób masowy nadaje się do wyrażania zarówno stężenia cząstek stałych (pyłów) zawartych w powietrzu, jak i gazów. Ma też drugą zaletę - jeżeli istotne są skutki zdrowotne stężenia, to dla celów medycznych niezbędne jest podawanie masy substancji, którą wchłania człowiek.

Warunki standardowe i warunki normalne. Wartość stężenia masowo-objętościowego zmienia się z temperaturą i ciśnieniem. Aby więc wyniki pomiarów były porównywalne, zmierzone wartości należy korygować do takich, które byłyby otrzymane w wyniku pomiaru w warunkach standardowych. Niestety, używa się trzech zestawów takich warunków i ich nazwy nie są jednoznaczne. W niniejszej pracy przyjęto, że warunki standardowe, nazywane też umownymi, w literaturze określane skrótem STP (standard temperature and pressure) to:

temperatura 273,15 K = 0 °C, ciśnienie 1013,25 hPa;

natomiast warunki normalne, zgodnie z najczęściej używanym w badaniach jakości powietrza standardem NIST (National Institute of Standards and Technology), określane też skrótem NTP to:

temperatura 293,15 K = 20 °C, ciśnienie 1013,25 hPa (jak wyżej);

amerykańska agencja ochrony środowiska EPA (Environmental Protection Agency) używa standardu, w którym temperatura wynosi 25 °C.

Przeliczanie jednostek. Na podstawie prawa Avogadra można przeliczać stężenia gazów wyrażone tymi dwoma sposobami. Skoro 1 mol każdego gazu w warunkach normalnych ma objętość V = 0,024055 m3 i znane jest stężenie objętościowe danego gazu w powietrzu ?g, to stężenie tego gazu wyrażone jako stosunek masy do objętości jest równe:

gdzie:

?g - stężenie masowo-objętościowe, g/m3,

Mg - masa molowa gazu, g.

Przykład 2.1. Stężenie objętościowe dwutlenku węgla wynoszące 0,041% odpowiada w warunkach normalnych następującemu stężeniu masowemu: 0,00041-(12+2-16)/0,024 = 0,75 g/m3.

Różnice między warunkami standardowymi a normalnymi są istotne. W powyższym przykładzie, przy założeniu warunków standardowych wynik jest nieco inny. Objętość 1 mola gazu Vn wynosi 0,022414 m3 i stąd stężenie masowo-objętościowe CO2 wynosi 0,805 g/m3.

W internecie łatwo można znaleźć kalkulatory do wzajemnego przeliczania obu rodzajów stężeń. Trzeba jednak zwrócić uwagę, czy w kalkulatorze przyjęto warunki standardowe czy normalne.

Emisja zanieczyszczeń (łac. emissio - uwolnienie, wypuszczenie, wyrzucenie) to ich wypuszczanie do środowiska.

Miary emisji. Wartość emisji wyraża się jako masę emitowanej substancji, odnoszoną do różnych wielkości. Są nimi:

objętość gazów odlotowych emitowanych w danym procesie, jednostka emisji: mg/m3, jednostka wyprodukowanej energii albo mocy, jednostka emisji: g/GJ, g/kWh, czas, jednostka emisji: g/h, g/rok, jednostka wytworzonego produktu lub usługi, na przykład mg/kg produktu, mg/m2 polakierowanej powierzchni, g/km przejechanej drogi.

Imisja to zanieczyszczenia, które dotarły do odbiornika, czyli punktu, w którym następuje ich oddziaływanie. Może nim być dowolny element środowiska, również powietrze, które wdychamy.

Miary imisji. Termin ten jest używany często jako synonim stężenia zanieczyszczeń powietrza w punkcie oddziaływania. Miarą imisji jest wtedy wartość stężenia.

Imisję można też mierzyć jako masę zanieczyszczeń osiadających w danym czasie na powierzchni podłoża, zarówno w wyniku tak zwanego suchego, jak i mokrego osiadania. Typową jednostką jest wtedy g/(km2-rok).

2.2. Naturalne powietrze, czyli czym powinniśmy oddychać

W historii Ziemi skład atmosfery ulegał wielkim zmianom. W czasach, gdy nie było organizmów żywych, w atmosferze były śladowe ilości tlenu. Pojawienie się tych organizmów spowodowało przyrost tlenu i jednocześnie spadek zawartości dwutlenku węgla, co było rezultatem procesu fotosyntezy. Przyrost tlenu był jednak przez całe epoki spowalniany procesem utleniania skał, które absorbowały znaczne jego ilości. Obecny skład atmosfery ukształtował się prawdopodobnie 400-200 mln lat temu. Nie jest jasne, jaki mechanizm utrzymuje od dawna zawartość tlenu na niezmiennym poziomie, ale wiadomo, że jego ewentualne zachwianie rzędu kilku procent składu atmosfery byłoby katastrofalne dla życia, ale także dla wielu naszych procesów technologicznych. Mniej tlenu to zakłócenie procesów życiowych wszystkich organizmów żywych z wyjątkiem beztlenowych (część bakterii). Więcej tlenu to masowe samoczynne pożary, które zapewne zaczęłyby się od lasów. Zmiana w każdą stronę to zmiana warunków pracy wszystkich urządzeń i procesów, w których zachodzi spalanie i innych, zależnych od dostarczania tlenu.

Składniki atmosfery można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej grupy zaliczymy takie, których procentowy udział w powietrzu jest prawie niezmienny w czasie i przestrzeni, czyli bez względu na lokalizację geograficzną, ani wysokość. Składniki te, z podaniem procentowego udziału w objętości atmosfery podaje tabela 2.1. Proporcje w tej grupie stabilizuje ciągłe mieszanie składników wynikające z ruchów powietrza, a także niska reaktywność większości tych gazów. Argon, neon, hel i ksenon są gazami szlachetnymi. Do drugiej grupy można zaliczyć składniki podatne na czynniki fizyczne i chemiczne, co powoduje, że ich udział w powietrzu waha się zależnie od warunków meteorologicznych, lokalizacji, odległości od Ziemi, czasu oraz działalności człowieka. Tę drugą listę przedstawia tabela 2.2.

Para wodna jest czwartym gazem pod względem udziału w objętości powietrza. Jej łączną uśrednioną objętość w atmosferze szacuje się na 0,4%, jednak tej objętości nie ujmuje się w łącznym bilansie objętości składników powietrza podanym w tabeli 2.1. Para wodna wyróżnia się wyjątkową na tle innych składników powietrza zmiennością koncentracji tak w przestrzeni, jak i w czasie. Waha się ona od śladowej do 5% a nawet więcej w ekstremalnie wysokich temperaturach. Na poziomie morza wynosi ona około 1%. Ciśnienie pary wodnej w stanie nasycenia rośnie w przybliżeniu wykładniczo wraz z temperaturą, na przykład w temperaturze -10 °C wynosi 289 Pa, w temp. 10 °C - 1223 Pa, a w temp. 30 °C - 4275 Pa (Tiwary i Colls, 2010). Oznacza to, że przy zachowaniu tej samej wilgotności względnej zawartość pary wodnej w powietrzu wzrasta szybko z temperaturą. Woda występuje w atmosferze także w swoich pozostałych dwóch stanach skupienia, to znaczy skroplonym i lodu.

W większości podręczników i monografii z XX w. uśredniony udział dwutlenku węgla w atmosferze jest określany jako 0,03% (wartość z początku XX w.), a w nowszych jako liczba z zakresu 0,03 - 0,035%. W czasie pisania tej książki zawartość dwutlenku węgla wynosi już 0,041%. Ta rozbieżność wynika z jej gwałtownego wzrostu w ostatnim półwieczu. Pomimo niewielkiego udziału w atmosferze dwutlenek węgla, będąc jednym z tak zwanych gazów cieplarnianych, ma kluczowe znaczenie w utrzymywaniu bezpiecznej temperatury dla obecnej fazy rozwoju życia na Ziemi. Gwałtowny wzrost jego udziału powoduje zjawisko globalnego ocieplenia, które w bliskiej przyszłości może okazać się równie groźne dla ludzkości, jak zanieczyszczenie powietrza innymi substancjami, szkodliwymi bezpośrednio dla organizmów żywych, ale niekoniecznie dla klimatu.

Obok mieszaniny gazów, naturalna atmosfera Ziemi zawiera unoszącą się w niej zawiesinę cząstek ciekłych i stałych, nazywaną aerozolem atmosferycznym. Są to krople wody i kryształki tworzące chmury, kryształki soli morskiej powstałe po odparowaniu unoszonych wiatrem kropli wody morskiej, cząstki gleby, piaski pustynne, pyły wulkaniczne, produkty pożarów lasów, pyłki roślinne i zarodniki.

Wraz z odległością od Ziemi zawartość składników atmosfery o stałym udziale z tabeli 2.1 jest prawie niezmienna aż do wysokości około 100 km, czyli tzw. linii Kármána, którą przyjmuje się za umowną granicę atmosfery i przestrzeni kosmicznej. Łączna masa atmosfery wynosi 5,15 - 1018 kg (Trenberth i Smith, 2005).

Tabela 2.1. Składniki czystego powietrza o niezmiennym udziale, blisko poziomu morza. Udziały w łącznej objętości powietrza podano przy założeniu, że powietrze jest suche (Griffin, 2007, uaktualnione przez autora)

Składnik atmosfery

Symbol chemiczny

Objętościowa miara zawartości (%)

Objętościowa miara zawartości (ppm)

Azot

N2

78,084

Tlen

O2

20,946

Argon

Ar

0,934

Neon

Ne

18,2

Hel

He

5,2

Krypton

Kr

1,2

Wodór

H2

0,58

Podtlenek azotu

N2O

0,33

Ksenon

Xe

0,09

Tabela 2.2. Średnia zawartość składników czystego powietrza o zmiennym udziale, blisko poziomu morza (na podstawie: j.w.)

Składnik atmosfery

Symbol chemiczny

Objętościowa miara zawartości (%)

Objętościowa miara zawartości (ppm)

Para wodna

H2O

1-7

Dwutlenek węgla

CO2

410

Metan

CH4

1,7

Tlenek węgla

CO

0,15

Ozon

O3

0,1-0,01

Amoniak

NH3

0,01-0,0001

Dwutlenek azotu

NO2

0,01-0,00001

Dwutlenek siarki

SO2

0,0001-0,00001

Siarkowodór

H2S

0,0002--0,000001

2.3. Pionowa struktura atmosfery

Ciśnienie atmosferyczne i gęstość powietrza szybko maleją ze wzrostem wysokości, w sposób zbliżony do wykładniczego. Krzywe opisujące zmiany obu tych wielkości mają bardzo zbliżony kształt. Zależność między ciśnieniem atmosferycznym na poziomie morza i na pewnej wysokości nosi nazwę formuły barometrycznej, w uproszczonej postaci przedstawia się następująco:

gdzie:

p0 - ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza, hPa,

M - masa molowa powietrza, kg/mol,

g0 - przyspieszenie ziemskie na poziomie morza, m/s2,

z - wysokość nad poziomem morza, m,

R - stała gazowa, 8,31 J/(mol-K),

T - temperatura, K.

Ta sama formuła opisuje też zależność gęstości powietrza od wysokości. Z uwagi na stałą proporcję głównych składników powietrza w dolnych warstwach atmosfery masa molowa może być uznana za stałą, podobnie jak przyspieszenie ziemskie, ponieważ grubość atmosfery jest niewielka w porównaniu z promieniem Ziemi. Jednak temperatura wykazuje silne zmiany z wysokością (patrz rys. 2.1), stąd rzeczywiste wartości ciśnienia i gęstości powietrza mogą znacząco odbiegać od przewidywanych przez formułę barometryczną w postaci (2.2).

Na każde 5 km wysokości od powierzchni Ziemi obie te wartości maleją w przybliżeniu o połowę. Ciśnienie atmosferyczne na wysokości szczytu Mount Everest wynosi już tylko 31% wartości na poziomie morza. Połowa całej masy atmosfery przypada na jej dolne 5,5 km, a 99% masy na dolne 50 km. Wynika stąd ważny wniosek - jeżeli wprowadzamy do atmosfery zanieczyszczenia, to nie liczmy na to, że rozproszą się one w dziesiątkach kilometrów ponad naszymi głowami. Grubość warstwy powietrza, w której rozpraszają się zanieczyszczenia jest najczęściej rzędu 1-2 kilometrów.

Rozkład temperatury z odległością od powierzchni Ziemi jest złożony, ponieważ jest efektem działania kilku przeciwstawnych czynników. Przedstawia go rys. 2.1. Z rozkładem tym związany jest wyraźny podział atmosfery na warstwy o odmiennych własnościach. Kolejne widoczne na tym rysunku punkty przegięcia krzywej opisującej zwroty kierunku zmian temperatury z wysokością stanowią naturalne bariery dla transportu mas powietrza pomiędzy warstwami, zatem warstwy są między sobą w pewnej mierze izolowane.

Cechy kolejnych warstw są następujące:

1. Troposfera rozciągająca się od powierzchni Ziemi do wysokości ok. 7 km nad obszarami podbiegunowymi, ok. 10 km nad umiarkowanymi szerokościami geograficznymi i ok. 18 km nad równikiem. Jeżeli Ziemię reprezentowałby duży globus o średnicy 1 m, to troposfera miałaby średnio zaledwie 0,6 mm grubości. W troposferze temperatura maleje niemal liniowo ze wzrostem wysokości do wartości w zakresie od -50 do -70 °C (Kożuchowski, 1988). Troposferę cechuje mieszanie się mas powietrza, a w konsekwencji jego równomierny skład. W tej warstwie następuje cały obieg wody w powietrzu i zachodzą zjawiska, z których wynika odczuwalna na powierzchni Ziemi pogoda.

Widoczny na rys. 2.1 układ temperatur powoduje, że w troposferze na skutek ruchów konwekcyjnych masy powietrza się mieszają, natomiast nie unoszą się one wyżej do stratosfery. Zapobiega temu odwrócenie kierunku zmian temperatury w stratosferze, zatrzymujące ruch konwekcyjny (więcej w rozdz. 2.7). Warstwa pośrednia między troposferą i stratosferą to tropopauza.

Z punktu widzenia zanieczyszczeń powietrza najważniejsza jest dolna, bezpośrednio przylegająca do powierzchni Ziemi planetarna warstwa graniczna (częściej nazywana warstwą graniczną, więcej w rozdz. 2.5). Wdychamy powietrze z tej właśnie warstwy i to w niej rozprzestrzeniają się i krążą zanieczyszczenia powietrza. Jej wysokość nad powierzchnią Ziemi, czyli grubość, jest mocno zmienna, ale w największym przybliżeniu można ją określić jako 1 km. W warstwie granicznej mieszanie mas powietrza jest najintensywniejsze, a ich ruchy są turbulentne, czyli skomplikowane i chaotyczne.

2. Stratosfera rozciągającą się na wysokości od 8-18 do 45-50 km. W jej dolnej i środkowej części temperatura prawie nie zmienia się z wysokością, a w górnej - rośnie aż do 0 °C. W stratosferze, zgodnie z jej nazwą występuje stratyfikacja, czyli stabilne warstwy, pomiędzy którymi przepływy powietrza są ograniczone. W dolnej warstwie stratosfery występują bardzo szybkie poziome prądy strumieniowe o globalnym zasięgu, przemieszczające układy baryczne. W stratosferze praktycznie nie ma pary wodnej. Przedostawanie się zanieczyszczeń powietrza do stratosfery ma miejsce incydentalnie, na przykład w wyniku huraganów lub gwałtownych burz, erupcji wulkanów czy próbnych eksplozji atomowych. Regularnie mogą przedostawać się tam niewielkie ilości trwałych gazów emitowanych przez człowieka.

3. Mezosfera zajmująca obszar od stratosfery do ok. 85 km od Ziemi, w której temperatura ponownie maleje ze wzrostem wysokości, do ok. -90 °C. Gęstość i ciśnienie powietrza mają w mezosferze wartości śladowe. Powyżej mezosfery rozpoczyna się termosfera, sięgająca do wysokości 500-600 km, która płynnie przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. Termosfera i położona ponad nią egzosfera łącznie stanowią jonosferę, ponieważ wskutek intensywnego promieniowania UV następuje tam rozpad cząsteczek na atomy i ich jonizacja.

Emisje z powierzchni Ziemi, tak naturalne, jak i antropogeniczne oddziałują bezpośrednio tylko na troposferę, a pośrednio na stratosferę. Wyższe warstwy atmosfery są w zasadzie poza zasięgiem źródeł z powierzchni Ziemi.

2.4. Bilans energii Ziemi

Całą energię Ziemia czerpie ze słonecznego promieniowania elektromagnetycznego (z minimalnym udziałem promieniowania korpuskularnego). Ziemia wraz z atmosferą nieustannie pobierają energię słoneczną oraz ją oddają do przestrzeni kosmicznej. Ta zrównoważona wymiana energii jest warunkiem utrzymywania stałej średniej temperatury na Ziemi. Zakłócenie równowagi musi prowadzić do trwałego ocieplania lub ochładzania się planety. Energia dociera do powierzchni Ziemi poprzez promieniowanie krótkofalowe: widzialne i górny zakres częstotliwości podczerwonych, ponieważ w tym zakresie emituje ją Słońce, mając temperaturę ok. 5500 ?C. Ziemia i atmosfera oddają energię promieniowaniem długofalowym, w zakresie dalekiej podczerwieni. Zakres ten zgodnie z prawem Wiena (Kożuchowski, 1998) odpowiada temperaturom Ziemi. Pobieranie energii ma miejsce tylko w aktualnie oświetlonej połowie kuli ziemskiej, oddawanie odbywa się przez cały czas. Procesy te znane są dość dobrze dzięki licznym pomiarom naziemnym i satelitarnym.

Atmosfera jest w dużym stopniu przezroczysta dla promieniowania w pasmie widzialnym. Dlatego też większość promieniowania dociera do powierzchni Ziemi, która z kolei jest dla niego nieprzezroczysta, stąd silnie się nagrzewa w wąskiej warstwie. Wody, z uwagi na pewną przezroczystość, ogrzewają się do większej głębokości.

Przezroczystość atmosfery dla promieniowania widzialnego i oddawanie ciepła do powietrza przez powierzchnię Ziemi promieniowaniem podczerwonym skutkuje pozornie paradoksalnym efektem - atmosfera w istocie ogrzewana jest nie od góry, ale od dołu. Zjawisko to ma wielkie znaczenie dla kształtowania pogody i ruchów powietrza.

Przepływy energii cieplnej pobieranej i oddawanej przez Ziemię ilustruje rys. 2.2. Z całego strumienia promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi, wynoszącego po uśrednieniu ok. 341 W/m2 ok. 30% jest odbijane przez atmosferę i powierzchnię Ziemi, 23% jest absorbowane przez atmosferę, a 47% zostaje zaabsorbowane przez powierzchnię Ziemi, czyli zbiorniki wodne i grunty. Ziemia promieniuje ciepło ze średnim strumieniem promieniowania o wartości 396 W/m2. Jednak większość tego strumienia, czyli 333 W/m2 jest do Ziemi zawracana w wyniku efektu cieplarnianego. Efekt ten występował na Ziemi zawsze. Zjawisko globalnego ocieplenia, jest wynikiem zwiększenia intensywności efektu cieplarnianego w ślad za wzrostem stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze. Różnica między strumieniem wypromieniowanym przez Ziemię a zaabsorbowanym powtórnie w wyniku efektu cieplarnianego wynosi 63 W/m2 i jest wartością netto wypromieniowanego przez Ziemię strumienia. Stanowi on 39% całkowitego strumienia absorbowanego przez powierzchnię Ziemi. Dla zachowania równowagi energetycznej Ziemi muszą więc istnieć inne niż promieniowanie mechanizmy oddawania ciepła przez Ziemię. Drugim mechanizmem jest ciepło parowania wody. Głównym źródłem parowania są zbiorniki wodne, szczególnie w rejonach tropikalnych, ale parę wodną wydziela też roślinność (tzw. transpiracja) i gleby. Łącznie w cieple parowania Ziemia oddaje blisko 50% zaabsorbowanej energii cieplnej. Trzecim mechanizmem jest nagrzewanie stykających się z powierzchnią Ziemi mas powietrza i przenoszenie ciepła do atmosfery za pomocą konwekcji. W ten sposób Ziemia oddaje brakujące do bilansu 11% energii cieplnej.

Energia słoneczna jest absorbowana przez Ziemię nierównomiernie. Najwięcej energii jest przekazywane na powierzchnię prostopadłą do padania promieni słonecznych, stąd najsilniej są nagrzewane okolice równika i strefa międzyzwrotnikowa. Wraz ze wzrostem szerokości geograficznej ilość absorbowanej energii słonecznej maleje. Różnica ta jest dodatkowo wzmacniana przez słabsze oddawanie energii w strefie międzyzwrotnikowej, główne z powodu efektu cieplarnianego powodowanego przez większą w tej strefie zawartość pary wodnej oraz intensywniejsze oddawanie energii w strefach podbiegunowych. Ocenia się, że w okolicach równika nadwyżka mocy absorbowanej nad mocą oddawaną wynosi ok. 200 W/m2, zaś w strefach podbiegunowych podobnej wielkości jest nadwyżka mocy oddawanej nad absorbowaną. W średnich szerokościach geograficznych występuje równowaga. Nierównowaga między mocą pobieraną i oddawaną napędza tak zwany silnik cieplny, który stanowi Ziemia. Elementami wprawianymi w ruch przez ten silnik są parowanie i skraplanie wody, ruchy mas powietrza oraz prądy oceaniczne. W skali globu ok. 60% transportu ciepła odbywa się poprzez powietrze, a ok. 40% poprzez prądy oceaniczne. Mechanizmy te kompensują nierównowagę, czyli stabilizują średnie temperatury w okolicach równikowych i polarnych.

Nierównowaga występuje również pomiędzy absorpcją energii słonecznej przez wody i lądy. Pojemność cieplna i przewodnictwo wody są znacznie wyższe niż lądu. Nagrzewanie wody jest dodatkowo wspomagane procesem konwekcji. Nasłoneczniona w ciągu jednego dnia woda nagrzewa się powoli do głębokości kilku metrów, podczas gdy nasłoneczniona gleba nagrzewa się szybko i płytko, zaledwie do kilku centymetrów w głąb.

2.5. Planetarna warstwa graniczna i warstwa mieszania

Warstwa graniczna jest pod bezpośrednim wpływem zmiennych warunków panujących na powierzchni planety, szczególnie oddawanej przez nią energii cieplnej i wilgoci. Reaguje ona na te zmiany w skali czasowej rzędu godziny. Oddziaływanie powierzchni Ziemi na powietrze jest termiczne i mechaniczne.

Oddziaływanie termiczne to wyżej opisane oddawanie ciepła w postaci promieniowania podczerwonego. Podgrzewane w ten sposób powietrze zachowuje się podobnie jak woda podgrzewana w garnku. Energia cieplna dociera od dołu i rozchodzi się w naczyniu w wyniku ruchów konwekcyjnych. Podstawowe parametry obu tych zjawisk to wartość strumienia energii cieplnej i zakres (wysokość) konwekcji. Odchodząc od analogii z garnkiem, kluczową cechą ogrzewania warstwy granicznej jest jej zmienność w cyklu dobowym. Konwekcja zachodzi w ciągu dnia, kiedy grunt się nagrzewa. W ciągu nocy ruch konwekcyjny ustaje, co sprzyja stabilizacji pionowej w warstwie granicznej, a nawet jej stratyfikacji. Obecność chmur osłabia dzienne procesy konwekcji, ponieważ chmury absorbują znaczną część energii słonecznej. Gdy konwekcja ma miejsce, zachodzi ona najczęściej w dolnych warstwach troposfery (1-2 km). Zakres konwekcji przyjmuje się zazwyczaj jako grubość (wysokość) warstwy granicznej. Parowanie ze zbiorników wodnych, gleb i roślinności jest też formą emisji energii cieplnej, w postaci ciepła utajonego pary wodnej.

Oddziaływanie mechaniczne powierzchni Ziemi wynika z ukształtowania terenu w małej skali. Znaczenie ma pokrywa roślinna, jej charakter albo brak, zabudowania. Wszelkie nierówności (a nawet gładka powierzchnia) powodują tarcie powietrza o podłoże, a to z kolei skutkuje zmniejszeniem prędkości jego poziomego przepływu. Im bliżej podłoża, tym prędkość wiatru jest mniejsza, najsilniej efekt ten występuje w dolnych dziesiątkach metrów, gdzie prędkość zmniejszona jest kilkakrotnie (więcej w rozdz. 2.8). Tarcie to powoduje turbulencje. Wysokość warstwy granicznej nocą, zwanej też nocną warstwą graniczną, rzadko kiedy przekracza 300 m.

Formalnie warstwa graniczna obejmuje przyległy do Ziemi obszar, w którym strumienie energii cieplnej, w tym wilgoci oraz pędu są przenoszone przez turbulentne ruchy powietrza, których poziome i pionowe zakresy są porównywalne z głębokością tej warstwy i których czas obiegu jest rzędu godziny. Temperatura i wilgotność powierzchni Ziemi podlegają szybkim zmianom i w efekcie występuje intensywne mieszanie pionowe warstw powietrza. Górną granicę tej warstwy wyznacza często warstwa inwersyjna (więcej w rozdz. 2.7) cieplejszego powietrza, utrudniająca mieszanie mas powietrza warstwy granicznej z masami powyżej niej. W dniach pogodnych górna granica tej warstwy często jest związana z podstawami chmur.

W warstwie tej pozostaje większość pyłowych zanieczyszczeń powietrza, co skutkuje rozpraszaniem światła i w nocy może być wyraźnie widoczne z samolotu. W pogodne dni podczas startu samolotu można często zaobserwować warstwę delikatnej mgiełki - jest to inny widoczny przejaw wierzchu warstwy granicznej. Warstwę graniczną nad doliną obserwowaną ze wzgórza przedstawia rys. 2.3.

Grubość warstwy granicznej zależy od kilku czynników. Najmniejsze wartości przyjmuje ona w pogodne dni w nocy, może wtedy wynosić poniżej 100 m, a największe nad obszarami najsilniej nagrzewanymi przez Słońce; nad pustyniami w środku dnia może sięgać nawet do 5 km. Nad oceanami, które mają wielką zdolność akumulacji ciepła, dzięki czemu panuje tam stabilna temperatura i gdzie przeważają stabilne warstwy chmur stratus i stratocumulus warstwa graniczna sięga setek metrów. Podobna grubość utrzymuje się na terenach przybrzeżnych (Garratt, 1994).

Warstwa mieszania. Wewnątrz planetarnej warstwy granicznej fizycy atmosfery rozróżniają trzy warstwy: przyziemną, mieszania (zwaną też warstwą dobrze wymieszaną) oraz przejściową. Największe znaczenie dla rozprowadzania zanieczyszczeń ma warstwa mieszania, która obejmuje od 35% do 80% warstwy granicznej (Markiewicz, 2004). Niektórzy specjaliści używają jednak terminu warstwa mieszania w takim samym znaczeniu jak warstwa graniczna, ponieważ ich charakterystyki są bardzo podobne. Samo pojęcie warstwy mieszania można zdefiniować w niestabilnym i w neutralnym stanie atmosfery. W stanie stabilnym nie da się jej zdefiniować (Godish i in., 2014). Jest to warstwa, w której występują silne pionowe ruchy powietrza i jego dobre wymieszanie, co powoduje, że wilgotność ma prawie stałą wartość. Mieszanie może być generowane mechanicznie na skutek skrętu wiatru z wysokością lub konwekcyjnie na skutek działania siły wyporu. Mieszanie ma miejsce głównie w ciągu dnia, gdy aktywne są procesy konwekcji. Maksimum ich intensywności przypada na wczesne godziny popołudniowe. W nocy, jeżeli nie następuje mieszanie mechaniczne, to mieszanie w warstwie zanika.

Górna granica tej warstwy jest jednocześnie górną granicą obszaru, w którym mogą rozpraszać się zanieczyszczenia powietrza, stąd jej aktualne położenie jest istotnym czynnikiem jakości powietrza w danym obszarze. Często wysokość warstwy mieszania wyznacza górna warstwa inwersyjna. Grubość warstwy mieszania jest też związana z aktywnością mieszania. W ciągu dnia grubość ta osiąga minimum tuż przed świtem i w ciągu dnia rośnie, osiągając maksimum wczesnym popołudniem. Zmienia się ona również sezonowo. Najgrubsza jest latem, a najcieńsza późną jesienią i zimą, w średnich szerokościach geograficznych północnej półkuli. Wśród 11 wielkich miast amerykańskich średnia wysokość warstwy mieszania latem wynosi 1500 m, najwyższe są w Phoenix i Denver położonych w klimacie półpustynnym, a najmniejsze w nadmorskich Los Angeles i Bostonie (1000 m) (Wang i Wang, 2014; Godish i in., 2014).

2.6. Ruchy powietrza w skali globalnej

Gdyby nie występował ruch obrotowy kuli ziemskiej, to kompensujący nierównowagę termiczną ruch powietrza mógłby przebiegać następująco. Masy powietrza silnie nagrzewane przez wody i grunty w zerowych szerokościach geograficznych unosiłyby się siłami konwekcji, a następnie, typowo na wysokościach kilku kilometrów, przemieszczałyby się w stronę chłodniejszych obszarów, czyli w kierunku biegunów. Tam schłodzone powietrze osiadałoby w kierunku powierzchni Ziemi i na niskiej wysokości przemieszczałoby się z powrotem w kierunku równika.

Jednak ruch obrotowy Ziemi powoduje występowanie (pozornej) siły Coriolisa, w wyniku której masy powietrza przemieszczające się wzdłuż południków są stopniowo odchylane w kierunku zachodnim - równoleżnikowym. Zjawisko to wraz z innymi czynnikami meteorologicznymi powoduje, że transport mas powietrza w skali globalnej jest bardzo złożony i odbywa się głównie w kierunku równoleżnikowym. Transport w kierunku południkowym w każdej z półkul odbywa się w trzech osobnych strefach cyrkulacyjnych, zwanych komórkami. Wyidealizowany schemat obiegu powietrza na jednej półkuli przedstawia rys. 2.4. W komórce przypadającej na strefę międzyzwrotnikową (komórka Hadleya) ciepłe i wilgotne powietrze w okolicach równika unosi się i zmierza ku biegunowi w wyższej części troposfery, potem opada i schłodzone powraca w warstwie bliskiej Ziemi, przyjmując postać wiatrów wschodnich, zwanych pasatami. W komórce Ferrela pomiędzy zwrotnikiem a kołem podbiegunowym kierunek cyrkulacji jest odwrotny. Powietrze zwrotnikowe osiada i blisko Ziemi przemieszcza się ku biegunowi, powodując wiatry o przeważającym kierunku zachodnim (południowo-zachodnim na półkuli północnej i północno-zachodnim na półkuli południowej). Bliżej koła podbiegunowego powietrze unosi się i w wyższych rejonach troposfery zawraca ku równikowi. W tej komórce występują intensywne i rozległe zawirowania, powodujące wiatry o największych prędkościach. Cechuje ją też gwałtowna zmienność i różnice temperatury występujące na krótkich dystansach, czyli fronty atmosferyczne. W komórkach biegunowych kierunki cyrkulacji są podobne do kierunków w komórkach Hadleya. Powietrze osiada w okolicach biegunów i przyczynia się tam do powstawania zazwyczaj stabilnych układów wyżowych, od których na niskich wysokościach przemieszcza się w stronę kół podbiegunowych, z odchyleniem na zachód.

Jak wykazuje obserwacja erupcji wulkanicznych, obieg mas powietrza wzdłuż ustalonej szerokości geograficznej wokół całego globu zajmuje około dwóch tygodni (Graedel i in., 1986).

W Polsce przeważają typowe dla komórki Ferrela wiatry zachodnie i południowo-zachodnie, jednak występują okresowe zmiany cyrkulacji, szczególnie w porze letniej i zimowej, podczas których cyrkulacja zmienia się na wschodnią, trwającą nawet kilka do kilkunastu dni. Mapę najczęściej występujących w Polsce kierunków wiatrów przedstawia rys. 2.5.