Powietrze

POWIETRZE

Powietrze – mieszanina gazów tworząca atmosferę ziemską; składa się z azotu (ok. 78%), tlenu (ok. 21%), gazów szlachetnych, dwutlenku węglu, pary wodnej i innych. Skroplone powietrze służy do otrzymywania tlenu i azotu.

Prócz stałych składników powietrza, czasem występują inne substancje, które mogą być groźna dla organizmów żywych, jeśli ich zawartość w powietrzu jest zbyt wysoka. Takie substancje uważa się za zanieczyszczenia. Najbardziej znane substancje, sprawiające zagrożenia to dwutlenek azotu i siarki oraz tlenku węgla. Źródła zanieczyszczeń powietrza dzielą się na dwa rodzaje: naturalne i wytworzone przez człowieka.

Naturalne źródła zanieczyszczeń powietrza to:
Np.
a) wielkie pożary lasów
b) wybuchy wulkanów
c) wyładowania atmosferyczne
d) procesy gnicia obumarłych roślin i zwierząt
e) korozje

Źródła zanieczyszczeń powietrza wytworzone przez człowiek to:
Np.
a) piece w elektrociepłowniach, hutach
b) ulatniające się dymy z kominów fabryki
c) silniki samochodów
d) różnorodne procesy chemiczne odbywające się przy pomocy człowieka w przyrodzie

Źródła naturalne istniały już od dawien dawna. Nawet przed pojawieniem się człowieka. Z wcześniejszymi zagrożeniami zanieczyszczeń, przyroda radziła sobie sama. Teraz niestety jest to niemożliwe.
Źródła zanieczyszczeń wytworzone przez człowieka z roku na rok są coraz bardziej poważne. Wszystko jest skutkiem gospodarczej działalności człowieka w ciągu ostatnich 100 lat.
Mechanizm powstawania kwaśnego deszczu:
Mechanizm powstawania kwaśnego deszczu polega na łączeniu się cząsteczek wody zawartej w deszczu, śniegu czy mgle z gazowymi zanieczysz-czeniami powietrza, głównie tlenkami azotu i dwutlenkiem siarki. Ten ostatni przechodzi najpierw w trójtlenek siarki, a następnie reagując z wodą daje kwas siarkowy.
SO3 + H2O H2SO4
Tlenki azotu w połączeniu z wodą powodują z kolei powstanie kwasu azotowego.
Dwutlenek siarki pochodzi głównie ze spalania zasiarczonych paliw (np. węgla brunatnego), a tlenki azotu ze spalania paliw w wysokich temperaturach (np. w silnikach spalinowych).
Stężenie kwasu w deszczu zależy od ilości trujących gazów zawartych w powietrzu. Szczególnie wysokie staje się ono po długim okresie bezdeszczo-wym i bezwietrznym, kiedy to istniały warunki do kumulacji zanieczyszczeń.
Kwaśne deszcze padają często w krajach, które nie są odpowiedzialne za ich powstawanie. Szkodliwe gazy, wyrzucane przez wysokie kominy elektrowni na dużą wysokość, mogą być przenoszone przez wiatr nawet tysiące kilometrów od miejsca pochodzenia. Na przykład Szkocja i Skandynawia cierpią z powodu zanieczyszczeń powstałych w północnej Anglii, a gazy produkowane na północy Stanów Zjednoczonych zatruwają Kanadę.
Kwaśne deszcze oddziaływują niekorzystnie zarówno na organizmy żywe, twory przyrody nieożywionej jak i na elementy środowiska sztucznego. Niszczą elementy konstrukcyjne, powodując silną korozję żelaza, stali, miedzi i niklu oraz materiały budowlane, w tym także naturalne skały zawierające węglany. Katedra Notre-Dame w Paryżu przetrwała setki lat niemal w nienaruszonym stanie, a obecnie jej kamienne mury są bezlitośnie atakowane przez kwaśne opady.
Najbardziej z powodu kwaśnego deszczu cierpią drzewa. Już przy niewiel-kich stężeniach następuje odbarwienie liści lub igieł. Szczególnie wrażliwe są drzewa iglaste, a zwłaszcza sosna zwyczajna, jodła i świerk. U drzew tych następuje zahamowanie przyrostu, zmiany w pokroju korony, częściowe, a nawet całkowite obumieranie. Skutki kwaśnych opadów widać szczególnie na zboczach gór, tam gdzie dolne warstwy chmur stykają się z roślinnością. Są one widoczne również w Polsce, na przykład w lasach porastających Karkonosze i Góry Izerskie.
Kwaśne deszcze powodują też zakwaszenie wód powierzchniowych. W tysiącach skandynawskich jezior spowodowały one śmierć milionów łososi i pstrągów. Innym skutkiem jest zakwaszenie gleb, w których uwalnia się toksyczny glin i następuje wymywanie substancji odżywczych.
Sytuację próbuje się uzdrowić przez rozpylanie z helikopterów latających nad zakwaszonymi terenami wapna, które neutralizuje kwas.
Najlepszą metodą jest jednak nie likwidacja skutków, ale zapobieganie kwaśnym opadom. Możemy to osiągnąć poprzez ograniczenie emisji gazów odpowiedzialnych za ich powstawanie. Sposobami na zmniejszenie wydzielania dwutlenku siarki są: spalanie węgla wysokogatunkowego o małej zawartości siarki, stosowanie w energetyce instalacji odsiarczających i palenisk fluidalnych, które równocześnie znacznie redukują emisję tlenków azotu oraz przechodzenie na zasilanie elektrowni i ciepłowni węglowych mniej szkodliwym dla środowiska gazem.
Mechanizm powstawania "dziury ozonowej":
Problem pojawił się gdy zaczęto używać związku CCl2F2, zwanego freonem 12 oraz innych fluoropochodnych metanu i etanu (nazwanych wspólnie freonami lub CFC) do produkcji aerozoli. Związki te wykorzystywane były w konstrukcji systemów chłodniczych:
w sprężarkach lodówek
· chłodniach i urządzeniach klimatyzacyjnych
· do produkcji lakierów
· w przemyśle kosmetycznym
· w medycynie
· jako delikatne środki czyszczące w przemyśle komputerowym.
Po pewnym czasie stwierdzono, jak katastrofalne skutki przynosi używanie tych związkow dla warstwy ozonowej. Cząsteczki freonów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie rozpadają się, mogą więc żyć w atmosferze ponad 100 lat. Owa niezniszczalność freonów oraz lekkość pozwalająca na przenikanie aż do ozonosfery zaniepokoiły dwóch chemików. Z ich założeń wynikało, że w ozonosferze miliony ton lekkich freonów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego rozkładają się na pierwiastki: węgiel, fluor i chlor. Wprawdzie węgiel spala się, ale fluor i jeszcze silniej chlor rozpoczynają reakcję łańcuchową z ozonem powodując tworzenie się tlenków i powstanie zwykłego tlenu dwuatomowego.
Gazami szkodliwymi dla ozonu są również węglowodory (CxHy) i tlenki azotu (NOx). Te ostatnie mogą przebywać w atmosferze nawet ponad sto piećdziesiąt lat.
Co to jest "dziura ozonowa"?
Dziura ozonowa, spadek zawartości ozonu (O3) na wysokości 15-20km głównie w obszarze bieguna południowego.
Odkrycie "dziury ozonowej"
Na początku lat 80. Satelita meteorologiczny przesłał na Ziemię zastanawiające zdjęcia:

Uszkodzona Tarcza: czarne miejsce w środku tego obrazu satelitarnego wskazuje dużą powierzchnię zbyt cienkiej warstwy ozonu nad Antarktyką.
W 1982 roku dr Farman w czsie badań na Antarktydzie Zachodniej odkrył, że znaczna część pokrywy ozonowej nad biegunem zanikła. Przez następne lata dziura ozonowa nad biegunem powiększała się tak, że w październiku 1987 roku ilość ozonu była tam o 50% mniejsza niż przed jej odkryciem, w 1989 roku w wyższych warstwach zniknęło nawet ponad 95% ozonu. Według różnych badańń stwierdzono, że za zanik ozonu odpowiedzialna jest rosnąca koncentracja freonów.
Jakie jest tempo powiększania się dziury ozonowej?
Tempo globalnego spadku ozonu stratosferycznego pod wpływem działalności człowieka (z wyjątkiem Antarktydy), oszacowane na podstawie bada satelitarnych, wynosi 0,4-0,8% na rok w północnych, umiarkowanych szerokościach geograficznych i mniej niż 0,2% w tropikach. Dziura ozonowa nad Antarktydą powiększyła się o 15% od czasu jej odkrycia. Dalej rozprzestrzenia się nad południową Argentyną i Chile. Zmniejszenie się ilości ozonu sięga 70%. Na wysokościach 14-17 km występują prawie całkowite braki ozonu.
Kiedy warstwa ozonu jest najciesza?
Spadek ilości ozonu zanacza się szczególnie wyraźnie w miesiącach zimowych np. na przełomie stycznia i lutego 1992 roku przykrywająca Polskę warstwa ozonu była przez kilka dni niemal dwukrotnie cieńsza od przeciętnej. Zanotowano 191 D, gdy zazwyczaj o tej porze pomiary wynosiły 350 D.
Co robi się w celu ochrony warstwy ozonowej?
W celu ochrony inicjatywy UNEP (Program Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych) przedstawiciele 31 państw podpisali w 1987 roku Protokół Montrealski - umowę zakładającą 50-procentowy spadek produkcji freonów do roku 2000, w stosunku do 1986. Od 1990 obserwowane jest zmniejszenie tempa wzrostu freonów w atmosferze - z 5% rocznie do mniej niż 3%.
W Polsce nadal używa się produktów zawierających freon, które wycofano już w innych krajach. Nasz kraj podpisał co prawda Protokół Montrealski, nie jest to jednak ściśle przestrzegane. Przystąpiliśmy do tej konwencji tylko jako użytkownicy, ponieważ nie produkuje się u nas freonów ani halonów.
Generalnie doniesienia telewizyjne i prasowe uwidaczniają, z jakim zapałem nasi naukowcy badają dziury ozonowe... Prowadzi się coraz dokładniejsze pomiary. Porównać je można z wieloletnią diagnostyką, po której nie następuje terapia. Tak więc mierzą dalej, w bezludnych okolicach pracują stacje miernicze, specjalne samoloty i balony wysokościowe okrążają Ziemię. Naukowcy w przygodowej pozie i ubiorach odpornych na wpływy atmosferyczne przed kamerami telewizyjnymi, które muszą być świadkami sukcesu - mierzą, badają.
Co to jest ozon: Ozon, forma tlenu z trzema atomami (zamiast dwóch jak w "normalnym" tlenie) jest wyraźnie toksyczny. 1 czastką tego gazu na milion części powietrza jest już dla ludzi trująca. Blisko powierzchni Ziemi ozon jest trucizna, która współuczestniczy w tworzeniu smogu fotochemicznego i kwaśnego deszczu. Na szczęście w niższej warstwie atmosfery-troposferze- znajduje się więcej niz 10% ozonu, pozostałe 90% gromadzi się wysoko w stratosferze. Już 15-50km w górę od powierzchni Ziemi ozon staje się pożyteczny, tworzy warstwę ochronna dla życia. Ozon jest bowiem jedynym gazem w atmosferze, który zatrzymuje nadmiar promieniowania ultrafioletowego. W 1881 roku stwierdzono, że zawartą w tym promieniowaniu energię przetwarza na ciepło, dzięki czemu spełnia też funkcję atmosferycznego termoregulatora. Dzieje się to dlatego, że ozon nie jest trwałą odmianą tlenu. Szybko następuje jego rozpad, w wyniku którego powstają cząsteczki tlenu (O2). Tlen również ulega rozbiciu na bardzo reaktywne atomy (O), które przyłączają się do cząsteczek tlenu, tworząc na powrót ozon (O3). Wszystkie te procesy pochłaniają energie promieniowania UV i w ten sposób osłabiają je czyli redukują szkodliwe działanie. Koncentracje ozonu mierzy się w jednostkach zwanych dobsonami (od nazwiska konstruktora przyrządów pomiarowych). Ozon nie jest rozłożony równomiernie nad cała powierzchnią Ziemi. Średni poziom wynosi 300 D, podczas gdy nad równikiem jest tylko ok. 250 D. Gdyby nie istniały wiatry stratosferyczne, najwięcej ozonu byłoby właśnie ok. 30km nad równikiem.
Freon: jest nazwą handlową grupy związków chloru i fluoru z węglowodorami używanych w chłodziarkach. Słowo Freon ®; jest zarejestrowanym znakiem handlowym należącym do koncernu DuPont . Freony uznano powszechnie w latach 90-tych XX wieku za szkodliwe dla środowiska. Obwiniano je o niszczenie warstwy ozonowej. Freony przed tym okresem były szeroko stosowane jako ciecz robocza w chłodziarkach, wypełniacze dla aerozoli oraz do produkcji spienionych polimerów. W latach 90-tych pojawiły się badania sugerujące, że emisja freonów do atmosfery powoduje niszczenie warstwy ozonowej. Obserwacje zmniejszonego poziomu ozonu nie budziły dyskusji. Wątpliwości skupiły się na powiązaniu freonów z tym zjawiskiem. Niektórzy naukowcy twierdzili, że niszczenie ozonu mogą powodować zmiany zachodzące w klimacie Ziemi. Jednocześnie koncerny chemiczne posiadające monopol na produkcję freonów, utraciły go, bo ich patenty straciły na ważność w skutek upływu czasu. Naukowcy opracowali nowe ciecze chłodnicze mogące zastąpić freony. Nowe związki chemiczne znowu obejmowały patenty. W światowej opinii pojawiły się komentarze sugerujące powiązania naukowców oskarżających freony z koncernami chemicznymi usiłującymi sprzedać swoje nowe produkty. Mimo pewnych wątpliwości większość krajów przystąpiła do Konwencji Wiedeńskiej oraz Protokołu Montrealskiego. Największe gospodarki świata zgodziły się na zamrożenie produkcji freonów na poziomie z roku 1986. Obecne badania prowadzą do coraz śmielszych opinii na temat freonów. Nie dość, że freony niszczą ozon to jeszcze są bardzo trwałe i będą obecne w atmosferze przez wiele dziesiątków lat. Wynalazcą freonu był Thomas Midgley. Najpopularniejszym freonem stał się R-12 czyli dichlorodifluorometan. Jego wzór sumaryczny to CCl2F2. Freony są nietoksyczne i niepalne. W temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym mają postać gazu. W instalacjach chłodniczych freony występują pod postacią sprężonej cieczy. Jeżeli nastąpi przebicie przewodów, freony jako bardzo lekkie uciekają natychmiast wentylacją do atmosfery nie powodując ani zalania ani zanieczyszczenie budynku. Obecnie głównym następcą freonu 12 jako cieczy chłodniczej jest Suva 134a ® inaczej nazywana R134 lub R-134a. Podczas kiedy freony to związki fluoru, chloru i węgla, Suva jest fluorowanym węglowodorem zawierającym niepodstawione atomy wodoru. Jej wzór sumaryczny to CH2FCF3. Nazwa chemiczna to 1,1,1,2-tetrafluoroetan.

Oznaczenia Nazwa angielska Nazwa polska
R-11 CFC-11 Trichlorofluoromethane trichlorofluorometan
R-12 CFC-12 Dichlorodifluoromethane dichlorofluorometan
R-13 CFC-13 Chlorotrifluoromethane chlorotrifluorometan
R-22 HCFC-22 Chlorodifluoromethane chlorodiflurometan
R-23 HFC-23 Trifluoromethane trifluorometan
R-113 CFC-113 Trichlorotrifluoroethane trichlorotrifluoroetan
R-114 CFC-114 1,2-Dichloro-1,1,2,2-Tetrafluoroethane 1,2-dichloro-1,1,2,2-tetrafluoroetan
R-115 CFC-115 1-Chloro-1,1,2,2,2-Pentafluoroethane 1-chloro-1,1,2,2,2-pentafluoroetan
R-116 CFC-116 Hexachloroethane heksachloroetan
R-134a HFC-134a 1,1,1,2-Tetrafluoroethane 1,1,1,2-tetrafluoroetan
R-227ea HFC-227ea 1,1,1,2,3,3,3-Heptafluoropropane 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropan

Tabela 1: Nazwy najpopularniejszych freonów i innych związków chłodniczych.

Smog jest to nienaturalne zjawisko atmosferyczne polegające na współdziałaniu zanieczyszczeń powietrza spowodowanych działalnością człowieka oraz niekorzystnych naturalnych zjawisk atmosferycznych: znacznej wilgotności powietrza (mgła) i braku wiatru. Smog był pierwotnie kojarzony z Londynem z okresu od XVII do połowy XX wieku, jednak występuje także w większości aglomeracji miejsko-przemysłowych świata, jak np. Los Angeles, Tokio, Ateny czy Zagłębie Ruhry. Smog zawiera zawieszone w powietrzu cząstki stałe (pyłowe) oraz szkodliwe związki chemiczne gazowe: tlenki azotu oraz tlenki siarki. Te szkodliwe związki chemiczne, pyły (kurz) i znaczna wilgotność są zagrożeniem dla zdrowia, są bowiem czynnikami alergizującymi i mogą wywołać astmę oraz jej napady, a także powodować zaostrzenie przewlekłego zapalenia oskrzeli lub niewydolność oddechową.
Smog londyński
W specyficznych warunkach meteorologicznych, na skutek wypromieniowania energii cieplnej przez podłoże lub na skutek zstępujących prądów powietrza może zaistnieć anormalne zjawisko zwane inwersją termiczną . Polega ono na odwróceniu normalnego rozkładu temperatur powietrza, w wyniku czego powietrze cieplejsze utrzymuje się nad chłodniejszym. Warstwa cieplejszego powietrza (tzw. inwersyjna) stanowi barierę dla niżej leżących warstw chłodniejszego powietrza, która utrudnia ich pionową cyrkulację. Pod warstwą inwersyjną kumulowane są zanieczyszczenia.
Długo zalegająca tuż nad ziemią mgła, występująca w rejonach dużych miast i aglomeracji miejskich, pochłania znaczne ilości zanieczyszczeń zatrzymywanych pod warstwą inwersyjną, wskutek czego powstaje smog kwaśny , zwany londyńskim , mieszanina aerozolu kwasu siarkowego (VI), sadzy, dwutlenku siarki (SO 2 ) i tlenków azotu (nazwa smog pochodzi od ang. słów "smoke" i "fog").
W 1952 roku wystąpił w Londynie smog, który w postaci gęstej mgły na pięć dni spowił miasto, powodując śmierć 4000 osób. Skutki jego działania wystąpiły przede wszystkim u ludzi z chorobami sercowo-naczyniowymi lub dróg oddechowych.
Skutki
 Szkodliwe substancje wędrują z wiatrem w postaci zawiesiny i opadając z cząsteczkami wody na ziemię, uszkadzają wiele ekosystemów (m.in. niszczą ekosystemy jezior; naukowcy oceniają, że w samych tylko USA i Kanadzie 50.000 jezior będzie wkrótce biologicznie martwych).
Gleby - zwłaszcza pozbawione wapnia z przyczyn naturalnych, jak w Kanadzie czy Skandynawii, gdzie warstwa ziem spoczywa na granitowym trzonie - stają się niezdatne do uprawy. W wyjałowionych jeziorach giną ryby. A przede wszystkim - ginie las. Mechanizm wpływu kwaśnych opadów na niszczenie lasów strefy umiarkowanej jest jeszcze mało znany. Prawdopodobnie opłukiwanie drzew kwaśnymi deszczami pozbawia je wapnia i magnezu, co w niektórych przypadkach powoduje żółknienie liści, w innych - opadanie igieł. Ponadto woda w kwaśnym odczynie rozpuszcza zawarte w glebie sole glinu, tworzące skały osadowe w rodzaju gliny a uwolniony w tych procesach gli n zatruwa korzenie.
Podczas Międzynarodowej Konferencji w Sprawie środowiska Człowieka, zorganizowanej przez ONZ w 1972r. w Sztokholmie, szkody wywołane przez kwaśne deszcze oceniono jako niepokojące. Zjawiska te zagrażają szczególnie północno wschodnim regionom Stanów Zjednoczonych, południowo wschodniej Kanadzie i Skandynawii gdzie uszkodzonych jest 56% powierzchni lasów. Japończycy stwierdziwszy liczne przypadki podrażnień, wywołanych zanieczyszczeniami atmosferycznymi, obawiają się, że mogą one stać się przyczyną wzrostu zachorowań. W każdym razie - atak kwasów nie oszczędza ani przyrody, ani zabytków co w tym ostatnim przypadku zagraża światowemu dziedzictwu kulturowemu.
Charakterystyka smogu kalifornijskiego
Może wystąpić od lipca do października przy temperaturze od 24 do 35 stopni Celcujsza (Powodem jest konieczność silnego nasłonecznienia powietrza dla wytworzenia się smogu tego typu), wietrze o prędkości poniżej 2 m/sekundę i wilgotności względnej poniżej 70%.
Mechanizm powstawania smogu
W dużym mieście każdego dnia rano na ulice wyjeżdżają tysiące samochodów. Każdy z nich (nawet jeżeli posiada superwymyślne katalizatory) emituje spaliny...
Poranna wzmożona emisja spalin, powoduje pojawienie się w powietrzu ponad miastem dużych ilości tlenku azotu (NO), dwutlenku węgla (CO) i węglowodorów.
Po upływie około 1,5 - 2 godzin bezbarwny tlenek azotu ulega w znacznym stponiu utlenieniu tlenem atmosferycznym do brązowego, silnie trującego dwutlenku azotu (NO2). Nad miastem pojawia się brązowa chmura...
Jednocześnie pojawia się wolnorodnikowy tlen (O1), który rozbija obecne w atmosferze węglowodory na wolne rodniki węglowodorowe i hydroksylowe a reagując z tlenem tworzy ozon, który na tej wysokości nie jest bynajmniej przyjacielem organizmów żywych...
Ozon w reakcji ozonolizy rozbija nienasycone węglowowdory (również wylatujące z rur wydechowych naszych samochodów) na aldehydy i kilka rodzajów rodników...Oczywiście wszystkie te związki reagują dalej ze sobą i innymi składnikami miejskiego powietrza tworząc m.in. azotany nadtlenoacylowe oraz inne związki o działaniu np. rakotwórczym...
Składniki smogu kalifornijskiego
Powstaniu towarzyszy wysoki poziom emisji szkodliwych substancji powstałych ze spalania paliw oraz wysoki poziom produktów pochodzących z przekształce tych substancji na drodze fotochemicznej (pod wpływem energii słonecznej).
Głównymi zanieczyszczeniami wchodzącymi w skład smogu kalifornijskiego są:
· tlenek węgla (CO)
· tlenki azotu
· węglowodory aromatyczne i nienasycone
· ozon
· pyły przemysłowe
Większego znaczenia nie mają ani dym, ani mgła
Jakie są następstwa powstania smogu kalifornijskiego?
Następstwem jest ograniczenie widoczności do 0,8 - 1,6 km (powietrze ma brązowe zabarwienie). Smog ten powoduje wzrost zachorowalności i zaburzeń zdrowotnych u ludzi. Między innymi wywołuje groźne podrażnienia dróg oddechowych (np. stany zapalne, alergie) i śluzówki oczu. Smog kalifornijski zawiera także składniki kancerogeniczne czy mutagenne (tj. wywołujące nowotwory czy zmiany genetyczne), jak np. PAN (peroksy-acetyli-nitryl).
Zaobserwowano uszkodzenie upraw roślinnych wywołane smogiem kalifornijskim. Jest to związane głównie z obecnością i powstaniem w nim ozonu, który w tej warstwie atmosfery jest trucizną niebezpieczną dla zdrowia jeżeli jego stężenie osiągnie 10 ppm. (nieszkodliwe dla człowieka stężenie ozonu wynosi 0,1 ppm). Głównymi dostarczycielami ozonu do atmosfery są: obszary zelektryfikowane, huty, spawalnie, elektrofiltry, neonówki, lampy kwarcowe, aparaty Roentgena, świetlówki, silniki spalinowe.