Czym jest smog i jak wygląda? Co to są aerozole? I wreszcie – jaki wpływ na nasze zdrowie mają zanieczyszczenia powietrza? O tym w kolejnym odcinku podcastu GEOGADKA w ramach projektu „Geofizyka dla każdego” z drem Arturem Szkopem z Zakładu Fizyki Atmosfery IGF PAN rozmawia Dagmara Bożek, specjalistka ds. komunikacji naukowej i edukacji.

Zapraszamy do słuchania.  Wersja w formie wywiadu znajduje się poniżej.

                 

Dagmara Bożek: Ponieważ dzisiaj rozmawiamy o smogu i zanieczyszczeniach powietrza, przypomniał mi się żart – w niektórych regionach powietrze jest czyste, tylko trzeba je dobrze pogryźć. Zatem, czy smog możemy zobaczyć? A jeśli tak, to jak wygląda?

Dr Artur Szkop: Smog możemy zobaczyć i poczuć. Cały obszar Polski, szczególnie południe, jest rejonem o podwyższonych koncentracjach aerozoli w powietrzu. Przez smog rozumiemy zazwyczaj aerozole, czyli cząstki obecne w powietrzu. Mogą być płynne i stałe. I na tych cząstkach niekiedy zaczynają narastać kropelki wody. Smogiem nazywamy taki aerozol, na którym narosły kropelki wody. Jeżeli jest to suche, to bardziej mówimy o aerozolach albo o pyle zawieszonym. Jak najbardziej możemy je zobaczyć. Takie aerozole mają wpływ na to, jak światło rozchodzi się w powietrzu. W zależności od ich typu mogą generować zaciemnienie. Smog typu Los Angeles, który spotykamy nad dużymi aglomeracjami, jest brunatno-brązowy. Oczywiście częściej go czujemy – w przypadku zimowego smogu typu londyńskiego, występującego w miejscach, gdzie dużo pali się węglem, jest tzw. niska emisja z gospodarstw domowych, jest to zapach lekkiej spalenizny. Możemy kojarzyć go z górskich kotlin w okresie zimowym. Jeżeli chodzi o smog – nazwę go „nowego typu” – czyli taki, który powstaje w ciepłe, słoneczne dni pod wpływem interakcji aerozoli emitowanych, np. przez samochody, z promieniowaniem słonecznym, to jest typ Los Angeles. Ma ostry, drażniący zapach. Do tego stopnia, że może szczypać w oczy, jeśli jest duża koncentracja. Podrażnia również drogi oddechowe i wywołuje kichanie czy kaszel.

D.B. Zanim przejdziemy do rodzajów smogu, przypomnijmy naszym Słuchaczom, czym jest aerozol, bo to słowo często pojawia się w naszej rozmowie.

A.S. Powinniśmy od tego zacząć. (śmiech) Powiedzmy sobie ogólnie o zanieczyszczeniach atmosfery. Jest ona złożona z gazów, przede wszystkim azotu, tlenu, odrobiny argonu. Pozostałe niewielkie ilości gazowych domieszek nazywamy gazami śladowymi. To nie są aerozole. Aerozolami nazywamy te zanieczyszczenia, które są albo płynne, albo stałe. Może się wydawać, że jak jest cząstka stała, która wisi powietrzu, to powinna spaść na ziemię. Zasadniczo tak jest, ale problem polega na tym, że im mniejsza jest cząstka, tym silniej odczuwa interakcję z molekułami powietrza i tym wolniej jest w stanie opadać w dół. Ma bardzo wysoki opór aerodynamiczny w stosunku do swojej masy. Efekt jest taki, że cząstki rzędu milimetra lub mniej mają czas opadania liczony w minutach. Za to jeśli weźmiemy cząstki mikroskopowe, na poziomie setek nanometrów, to one całymi tygodniami mogą utrzymywać się w atmosferze. Te najmniejsze cząstki, które obserwujemy, utrzymują się nawet całe lata i jedynym efektywnym mechanizmem ich usuwania z atmosfery jest deszcz. Krople wody, opadając, zabierają ze sobą ten aerozol, który jest zawieszony w powietrzu. Może pojawić się pytanie – a co, kiedy w danym miejscu nie pada? Odpowiedź jest taka – w stratosferze nie ma żadnych opadów, tam jest bardzo niska wilgotność. Jeżeli aerozol dostanie się do stratosfery, a tak dzieje się w przypadku silnych erupcji wulkanicznych, to potrafimy obserwować warstwy aerozolu dekady po wybuchu wulkanu.

D.B. Wracając do typów smogu – wyróżniliśmy smog typu londyńskiego i Los Angeles. Warto podkreślić, że wbrew niektórym wyobrażeniom smog nie jest zjawiskiem, które obserwujemy tylko w okresie jesienno-zimowym, ale przez większą część roku.

A.S.Tak jak wspomnieliśmy, mamy różne typy smogu. Ten, który nam się kojarzy z ciężkim, zimowym powietrzem nasyconym dymem pochodzącym z kominów, to smog londyński. W Londynie były bardzo duże koncentracje smogu wynikające z tego, że ludzie palili mokrym węglem i drewnem, więc do atmosfery uwalniało się bardzo wiele zanieczyszczeń i pary wodnej. Od razu więc tworzyły się kropelki i to była ta słynna londyńska mgła, która tak naprawdę nie była mgłą, tylko smogiem. Potrafiła się utrzymywać całymi tygodniami czy miesiącami w okresie zimowym. Tego typu smog obserwujemy przede wszystkim zimą, głównie w miejscach, w których jest utrudniony odpływ powietrza, np. w kotlinach górskich. Jeżeli popatrzymy na miasta w południowej Polsce, to tam zimą często przy ziemi obserwujemy przez pierwsze pięćdziesiąt, sto metrów szarą „mgłę”. Trochę wyżej widać przejrzyste powietrze. W zimie nie ma tak silnej konwekcji jak w lecie, która jest w stanie transportować aerozole wyżej w atmosferę. Często też pojawia się inwersja, czyli sytuacja, w której temperatura rośnie wraz z wysokością zamiast spadać, co blokuje bardzo silne ruchy pionowe w atmosferze. Jeżeli mamy taka przyziemną, wysyconą warstwę aerozoli, to ona zalega. Ale to nie jest jedyny przypadek, który obserwujemy. Nowszy typ smogu, Los Angeles, pojawił się wraz z rozwojem transportu i silników spalinowych. Jest to smog fotochemiczny, który pojawia się w obecności tlenków azotu oraz tzw. VOC (ang. Volatile organic compounds), czyli lotnych związków organicznych. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego następują przemiany fotochemiczne i produkowane są różne związki azotu, jak również problematyczny ozon.

D.B. Dlaczego problematyczny? Mogłoby się wydawać, że to dobry gaz, bo chroni nas przed promieniowaniem ultrafioletowym.

A.S.: Zgadza się, ale jak jest w stratosferze i nie mamy z nim bezpośredniej interakcji. Niestety ozon jest silnie rakotwórczy. Cząsteczka ozonu to trzy połączone atomy tlenu, podczas gdy standardowo cząsteczki gazów nieszlachetnych, w tym tlenu, są dwuatomowe. Może się zdarzyć, że pod wpływem różnych przemian chemicznych lub fotochemicznych powstają trójatomowe cząsteczki tlenu, które są niestabilne. Taka cząsteczka potrafi przedostać się do krwiobiegu, tak samo jak zwykłe cząsteczki tlenu wiąże się z krwią, ale w losowym momencie może się rozpaść. Wtedy powstaje dwuatomowa cząsteczka tlenu i wolny rodnik tlenowy, czyli wolny atom tlenu, który bardzo szybko chce wejść w dowolną reakcję chemiczną. Może zniszczyć błonę komórkową, ale i uszkodzić kod genetyczny, jeśli dostanie się do wnętrza komórki. Te wolne atomy tlenu są silnie kancerogenne oraz drażniące. Dlatego nie lubimy ozonu w troposferze, szczególnie niskiej, bo smog fotochemiczny przez to jest silnie trujący. Z drugiej strony związki azotu, które powstają, wpływają drażniąco na śluzówkę – podrażniają oczy, drogi oddechowe, wywołują kaszel, kichanie, mogą czasowo zmniejszyć wydajność płuc. Taki smog niestety dość często obserwujemy w Warszawie. Ciekawostką jest, że ten smog jest tym bardziej widoczny, im jest cieplej. Stąd w słoneczny dzień możemy zobaczyć miasto spowite brunatno-brązowym płaszczem smogu. Za tę brunatną barwę odpowiada dwutlenek azotu, który zmienia swoją barwę w zależności od temperatury – jeżeli jest zimno, to jest przezroczysty, a gdy robi się cieplej, zaczyna być brązowawy.

D.B.: Wspomniałeś o kwestiach związanych z naszym zdrowiem w kontekście smogu. Pamiętam, jak w dzieciństwie rodzice ostrzegali mnie i brata, żebyśmy nie wychodzili na podwórko, kiedy jest smog. Teraz mamy systemy ostrzegawcze, aplikacje, które nas informują o stopniu zanieczyszczenia powietrza. Świadomość społeczna problemu jest coraz większa, podobnie jak wiedza o samym zjawisku smogu i jego konsekwencjach.

A.S.: Na szczęście świadomość społeczna rośnie. Warto jednak wiedzieć, że nie ma czegoś takiego jak norma zanieczyszczenia ustanowiona dla całego świata. Każdy kraj ma swoją specyfikę. Z racji tego, że w Polsce występują duże koncentracje zanieczyszczeń, również normy są nieco zawyżone w porównaniu do państw Europy Zachodniej. Z drugiej strony są wielkie aglomeracje, np. w Chinach, gdzie koncentracje i ich czas trwania jest bardzo wysoki. Więc nie można powiedzieć, że u nas jest najgorzej na świecie, ale niestety pod tym względem na pewno jesteśmy w światowej czołówce. Co ważne, nie tylko istotna jest sama koncentracja, ale również czas przebywania. Mniejsza koncentracja, kiedy jesteśmy długo na powietrzu, będzie miała większe długotrwałe skutki dla naszego organizmu niż krótka ekspozycja na bardzo wysokie stężenia aerozoli. Nie jest też tak, że każdy aerozol działa na nas tak samo. Stosuję wymiennie określenia aerozol i smog, ale jak już wspomniałem, smog to aerozol, na którym narosły kropelki wody. Możemy mówić też o suchym aerozolu, np. sadzy. W zależności od tego, z czym mamy do czynienia, różne mogą być efekty. Nasze organizmy są przystosowane do radzenia sobie z cząstkami dużymi. Mogą one pochodzić z erozji gleby, może to być sól morska, która powstaje, kiedy krople morskiej wody są podrywane przez wiatr i odparowują; aerozole organiczne – zarodniki roślin, produkty spalania biomasy. Cząstki powyżej 10 mikrometrów w większości są wyłapywane przez włoski w nosie. Problem pojawia się w przypadku tych najmniejszych zanieczyszczeń, do których nie jesteśmy przystosowani. Im mniejsze cząsteczki, tym głębiej są w stanie penetrować nasz układ oddechowy. W okolicach 1 mikrometra, czyli 1 000 nanometrów, pojawia się problem z cząsteczkami, które wnikają bardzo głęboko. Organizm ma problem z usuwaniem ich z płuc. W naszych drogach oddechowych wydziela się śluz, który odkasłujemy, oczyszczając w ten sposób płuca i oskrzeliki. Natomiast jeśli coś już się dostanie do pęcherzyków płucnych, jest problem z oczyszczeniem ich z tego. W okolicach 100 nanometrów te cząstki zaczynają wchodzić do pęcherzyków. Takie cząsteczki są emitowane np. przez silniki spalinowe, przemysł. Z płuc mogą przedostać się do krwiobiegu. Sam fakt występowania ciał obcych w pęcherzykach płucnych może być kancerogenny. Dobrym przykładem jest azbest – kiedyś używany powszechnie, niepalny, stabilny chemicznie, ale toksyczny. Dlaczego? Mechanicznie. Igiełki azbestu dostają się do płuc, wbijają się w oskrzeliki, pęcherzyki płucne, i organizm, próbując bronić się przed tym ciałem obcym, tworzy wokół nich zwłóknienia. Niestety w tym procesie pojawia się podwyższona kancerogenność i ryzyko zachorowania na nowotwór płuc. Musimy mieć świadomość, że sama obecność ciała obcego w płucach może podnieść ryzyko wystąpienia nowotworów, jak również prowadzi do chorób jak np. pylica.

D.B.: Jak jest monitorowany poziom powietrza w Polsce? Czy to jest jeden wspólny program, a może oddzielne działania o charakterze regionalnym? I jak to się ma do badań prowadzonych przez naukowców?

A.S.: Jest prowadzony monitoring, zajmuje się tym Generalny Inspektorat Ochrony Środowiska. Podlegają mu wojewódzkie jednostki GIOŚ. Istnieje cała sieć mierników w Polsce. Są to urządzenia bazujące zazwyczaj na filtrach, na których osadza się aerozol i potem waży się je lub za pomocą atenuacji promieniowania beta mierzymy, jak dużo materii osadziło się na filtrze. Do tego typu pomiarów WHO użyło pojęcia PM (ang. particular matter), np. PM 1, PM 2,5, PM 10. O co w tym chodzi? Na przykład PM 10 to są wszystkie cząsteczki, które mają średnicę poniżej 10 mikrometrów. Jest to średnica aerodynamiczna, która nam mówi, jak ta cząsteczka zachowuje się, kiedy przepływ jest zmienny. Jest to dobra miara, aby określić, na ile dana cząsteczka może zdeponować się w naszych drogach oddechowych. To unormowana średnica, ponieważ większość cząsteczek nie jest sferyczna. W większości przypadków mierzy się PM 10. Dlaczego? Ponieważ większe cząsteczki nie wchodzą do układu oddechowego, więc są dla nas w zasadzie nieszkodliwe. Potem są PM 2,5 i PM 1, które są najczęściej mierzonymi wartościami. Oczywiście, można definiować dowolne jednostki PM. W ostatnich czasach w UE pojawia się duży nacisk na jeszcze mniejsze jednostki, czyli PM 0,1. To są cząsteczki poniżej 100 nanometrów. Potrafią dostać się do krwiobiegu, a równocześnie trudno je mierzyć. Jak zatem wyglądają pomiary? Należy rozróżnić pomiar wilgotnego i suchego aerozolu. Dlatego osusza się powietrze, żeby nie mierzyć kropelek wody, tylko skupić się na aerozolu. Metod jest kilka, najprostszą jest podgrzanie powietrza. Ciepłe powietrze jest w stanie pochłonąć więcej wody, powoduje parowanie kropelek. Tę metodę często stosuje się w sieciach GIOŚ. Z tym że problemem jest to, że jeśli podgrzejemy próbkę powietrza, to mogą również odparować ciekłe aerozole. W przypadku aerozoli pochodzących ze spalania ma to mniejsze znaczenie, w przypadku smogu fotochemicznego zaś przy podgrzaniu o 5-10 stopni zaczynamy gubić aerozol. Dlatego wymyślono inne metody. Nie ma jednego urządzenia, które zmierzy wszystko, a te, które mają szeroki zakres funkcji, są bardzo drogie. Dlatego staramy się mierzyć różnymi urządzeniami na różne sposoby tak, żeby uzyskać obraz całości. Nasz sprzęt naukowy jest zbyt drogi, aby na jego podstawie budować całe sieci pomiarowe, ale zaawansowane stacje pomiarowe mogą służyć jako stacje referencyjne, względem których można kalibrować pozostałe sieci. Mamy też drugi koniec skali, czyli bardzo proste przyrządy pomiarowe. Są to sieci komercyjne, np. Airly – bardzo popularna, na wielu stronach można znaleźć pochodzące z niej dane. Bazuje na prostych urządzeniach optycznych, które pobierają próbkę powietrza, świecą przez nią światłem z diody i mierzą, jak dużo światła rozproszy się na aerozolu i zostanie wyłapana przez fotodiodę, która rejestruje sygnały. Jest to proste urządzenie, które w przybliżeniu może nam powiedzieć, jakie mamy koncentracje aerozolu, jaka jest wielkość cząstek. Plusem jest to, że takie urządzenie kosztuje mniej niż 100 euro, co oznacza szerokie wykorzystanie. Efekt skali może nam dostarczyć więcej danych o zmienności zjawiska w czasie. Podsumowując, trzy poziomy monitoringu to: tanie urządzenia, których jest bardzo dużo; setki punktów pomiarowych GIOŚ z urządzeniami zaawansowanymi i kilka profesjonalnych stacji badawczych w Polsce rozwijanych w ramach inicjatywy ACTRIS.

D.B.: Co to za program?

A.S.: To inicjatywa paneuropejska dotycząca aerozoli, chmur i gazów śladowych, w ramach której tworzymy sześć punktów pomiarowych w Polsce. Założenie jest, aby sposób analizy i obróbki danych był ujednolicony w całej Europie. Obecnie mamy bardzo wysokiej jakości dane dotyczące rodzajów aerozoli, ilości małych, średnich, dużych cząstek oraz ich wpływu na atmosferę. Z tego możemy próbować oszacować wpływ aerozoli na klimat.

D.B.: Opowiedziałeś o rodzajach monitoringu, co idzie w parze z rosnącą świadomością społeczną na temat zanieczyszczeń. Z racji tego, że należysz do tych naukowców, którzy zajmują się również popularyzacją nauki, opowiedz, w jaki sposób edukować o zagrożeniach związanych ze smogiem. Jak odnaleźć się w dyskursie, w którym media bombardują nas wręcz katastroficznymi wieściami o zmianach klimatycznych.

A.S.: Jest spór wśród naukowców, jak przekazywać społeczeństwu pewne informacje. Czy chcemy straszyć, czy jednak przekazywać informacje w sposób zachowawczy, ryzykując, że nikt nie zwróci na nie uwagi. Uważam, że zmiany klimatu w wyniku działalności człowieka związanej z emisją gazów cieplarnianych są na tyle istotne, a pozyskiwane dane naukowe na tyle jednoznaczne, że wytwarzanie lekkiego stanu paniki jest uzasadnione. Nie mamy wątpliwości, że klimat się ociepla i jest to związane z działalnością człowieka. Im szybciej zareagujemy, tym mamy większą szansę, że uda nam się przewidzieć możliwe scenariusze. Jednym z działań jest geoinżynieria – możemy np. rozpylić aerozole w stratosferze.

D.B.: Czy takie działania nie należą do zbyt kontrowersyjnych?

A.S.: To jest droga bez powrotu. Bo jeżeli rozpylimy aerozole tak, żeby zmniejszyć ilość promieniowania docierającego na Ziemię, to powstrzymamy efekt ocieplania się klimatu, ale skrócimy okres wegetacyjny, zmniejszymy ilość energii słonecznej potrzebnej roślinom. Geoinżynieria czasami jest porównywana do zabawy w Boga. Możemy wykonać pewne działania, ale nie wiemy, jakie będą ich długofalowe skutki. Co jeszcze istotne w kwestii rozmowy o zmianach klimatu i jakości powietrza – nie zawsze walka z jednym oznacza walkę z drugim. Walcząc o czyste powietrze, negatywnie działamy na klimat. Dlaczego? Aerozole chłodzą klimat – bezpośrednio powodują zmętnienie atmosfery, co powoduje, że odbija więcej promieniowania pochodzącego ze Słońca, czyli albedo planety rośnie. Ponadto pośrednio wpływają na chmury. Te zaś nie powstają same z siebie – jeżeli weźmiemy parę wodną w bardzo czystym powietrzu i zaczniemy je chłodzić i w ten sposób zwiększymy wilgotność powyżej 100 procent, to jeszcze nie znaczy, że zaczną się tworzyć kropelki wody. Chmurowe kropelki wody tworzą się na jądrach kondensacji, czyli na cząstkach aerozolu. Co za tym idzie koncentracja cząstek aerozolu, ich typ, wpływa na to, jakie kropelki powstaną. Jeżeli jest mało aerozolu, kropelki powstają niechętnie i będą większe, a jeżeli dużo, to powstają łatwiej i będą mniejsze. Małe kropelki trudniej łączą się ze sobą, co powoduje, że opad jest mniej prawdopodobny i chmury będą żyły dłużej. Inna kwestia jest taka, że zmienia się albedo chmur. I teraz pojawia się pytanie – czy zakładać filtry na elektrownie węglowe? Założymy filtry, wyłapiemy aerozol i to wpłynie na czystość powietrza, choć nie zmieni wartości emitowanego CO2 przez elektrownię. Z punktu widzenia zmian klimatu ma to negatywny wpływ. Dlatego trzeba przyjąć strategię, jak informować o tym społeczeństwo i określić, co jest dla nas ważniejsze – lepsze powietrze czy zmniejszenie ocieplenia klimatu.

D.B.: W momencie, kiedy zaczęliśmy monitorować zanieczyszczenia powietrza i nagle zobaczyliśmy czerwone słupki, dotarło do nas, że sytuacja jest kiepska. Ale wcześniej takich działań w Polsce nie prowadzono, a rozwój przemysłu powodował, że wcale nie było lepiej. Chyba możemy mówić o pewnej poprawie?

A.S.: Kiedyś prowadziliśmy badania naukowe nad długookresowymi trendami w zmętnieniu atmosfery. Nie mamy dokładnych badań sprzed 50 lat, ale były prowadzone pewne fotometryczne pomiary, jak mętna jest atmosfera, zarówno w Polsce, jak i na całym świecie. Jest takie pojęcie dimming to brightening transition, czyli przejście ze zmniejszenia do zwiększenia światła. Widoczne jest odwrócenie trendu – mniej więcej do lat 70. na świecie, szczególnie w rozwiniętych gospodarkach, obserwowany był wzrost zmętnienia, czyli mniej światła docierało do powierzchni Ziemi. Następnie nastąpiło odwrócenie trendu i przejrzystość atmosfery wzrasta. Jest to związane z odejściem od ciężkiego przemysłu, kiedy gospodarka przechodzi od produkcji do usług. Oczywiście, część tej produkcji wyjechała do Azji i tak naprawdę to zanieczyszczenie zostało przeniesione w inne miejsce. Więc możemy się cieszyć, że u nas jest lepiej, ale musimy mieć świadomość, że jest to kosztem kogoś innego. Zanieczyszczenia atmosferyczne są lokalne, ale jeśli mówimy o emisji CO2, jest to problem globalny. Dlatego przeniesienie produkcji krótkofalowo poprawia nam sytuację. Jeżeli chodzi o Polskę, to ten efekt wystąpił trochę później. Wynikało to z przemian ustrojowych i kryzysu w latach 80. Niestety w ciągu ostatnich 20 lat obserwowaliśmy pewne wypłaszczenie trendu, więc ta poprawa zwolniła. Pytanie, co z tym zrobić. Wydaje się, że głównymi winowajcami są niska (przyziemna) emisja ze spalania w piecach gospodarstw domowych i palenie niezbyt dobrej jakości węglem. Ten rok niestety będzie wielkim testem. Nie chciałbym zapeszać, ale boję się, że będą drastyczne koncentracje samych aerozoli, jak również wysokie koncentracje konkretnych frakcji takich jak np. benzopiren, wynikających ze spalania śmieci – opon, plastiku. Planujemy oczywiście intensywne pomiary, mamy stację w Raciborzu, na pewno będziemy tam monitorować sytuację. Tak naprawdę po tej zimie będziemy bogatsi w wiedzę.

D.B.: Czego możemy sobie życzyć przed nadchodzącym okresem jesienno-zimowym?

A.S.: Ciepłej zimy. To jest to, czego bardzo teraz potrzebujemy.

D.B.: Bardzo dziękuję za rozmowę.