ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ:

Transcript

1 ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜA ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΡΥΠΩΝ ΣΤΗΝ ΠΟΛΗ ΤΗΣ ΠΑΤΡΑΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΣΕ ΚΥΡΙΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΕΥΑΓΓΕΛΙΑ ΣΟΥΦΛΑ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Φ.ΑΛΕΒΙΖΟΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ 2013

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ4:ΣΤΑΘΜΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: OZON ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΚΥΡΙΩΝ ΣΥΝΙΣΤΩΣΩΝ ΜΕΡΟΣ ΤΡΙΤΟ ΧΡΗΣΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΚΥΡΙΩΝ ΣΥΝΙΣΤΩΣΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΡΥΠΩΝ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΗΣ ΠΑΤΡΑΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

3 3

4 ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ 1.1 Τι είναι η ατμόσφαιρα Ατμόσφαιρα ονομάζεται το αεριώδες περίβλημα που μπορεί να περιβάλει ένα ουράνιο σώμα, και στην περίπτωσή μας τη Γη. Το αεριώδες αυτό περίβλημα συγκρατείται λόγω της βαρύτητας και φτάνει σε ύψος 3.500km. Στην ατμόσφαιρα της Γης οφείλεται η ύπαρξη ζωής στον πλανήτη μας, εφόσον αυτή απορροφά ένα μεγάλο τμήμα της υπεριώδους ακτινοβολίας και με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι διαφορές των ακραίων θερμοκρασιών που θα υπήρχαν μεταξύ ημέρας και νύχτας χωρίς αυτή. Επίσης η διαστρωμάτωση που εμφανίζει και η χημική σύστασή της είναι οι βασικοί παράγοντες οι οποίοι συμβάλουν στη διατήρηση της ζωής πάνω στη Γη. Η διαστρωμάτωση της ατμόσφαιρας βασίστηκε στο γεγονός πως το κάθε στρώμα απορροφά διαφορετικά μήκη κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, διακρίνουμε τέσσερεις χαρακτηριστικές περιοχές. 1.2 Κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας Οι περιοχές αυτές σχηματικά φαίνονται παρακάτω: Σχήμα 1.1 : κατανομή της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας καθ ύψος 4

5 Ξεκινώντας από τα μεγαλύτερα ύψη, συναντάμε τη θερμόσφαιρα, όπου η θερμοκρασία είναι υψηλή και μεταβλητή (μπορεί να φτάσει και τους 100Κ). Στην περιοχή αυτή η μικρού μήκους κύματος υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από το οξυγόνο με αποτέλεσμα τη θέρμανσή της. Τα μόρια έχουν υποστεί φωτόλυση λόγω της υπεριώδους ακτινοβολίας και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα πολυατομικά μόρια να σπανίζουν και επομένως η θερμόσφαιρα δε χάνει θερμότητα υπό μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ο αέρας είναι πολύ αραιός, γι αυτό οι συγκρούσεις μεταξύ των μορίων είναι σπάνιες και δεν υπάρχει σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και θερμικής ακτινοβολίας. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.1 κατεβαίνοντας προς τα κάτω η θερμοκρασία μειώνεται μέχρι ένα σημείο καμπής (περίπου στα 82km) το οποίο ονομάζεται μεσόπαυση, κάτω από το οποίο η θερμοκρασία αρχίζει πάλι να αυξάνεται. Η περιοχή κάτω από τη μεσόπαυση ονομάζεται μεσόσφαιρα. Η θερμοκρασία αυξάνεται μέχρι να φτάσει στο μέγιστο σημείο της, κάτω από το οποίο αρχίζει πάλι να μειώνεται. Το σημείο στο οποίο η θερμοκρασία φτάνει στο μέγιστο ονομάζεται στρατόπαυση (ύψος περίπου 50km) και κάτω από το σημείο αυτό αρχίζει πάλι να μειώνεται. Η μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας στη στρατόπαυση οφείλεται στο γεγονός ότι στην περιοχή αυτή το όζον απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία μέσου μήκους κύματος. Στη συνέχεια, συναντάμε την στρατόσφαιρα, η οποία παρουσιάζει έντονη στρωμάτωση και επομένως φτωχή ανάμειξη. Τα σωματίδια που εισάγονται σε αυτή έχουν μεγάλους χρόνους παραμονής Η ανταλλαγή ενέργειας με ακτινοβολία στη στρατόσφαιρα γίνεται σχεδόν σε συνθήκες ισορροπίας. Το παραγόμενο όζον, μέσω των ιδιοτήτων του ως προς την αλληλεπίδραση με την ηλιακή ακτινοβολία είναι ο λόγος ύπαρξης της στρατόσφαιρας. Μεταξύ της τροπόσφαιρας και της στρατόσφαιρας βρίσκεται η τροπόπαυση (ύψος 8-16km). Κατεβαίνοντας από την τροπόπαυση προς την επιφάνεια του εδάφους, η θερμοκρασία αυξάνεται συνεχώς. Στην τροπόσφαιρα περιέχεται περίπου το 85% της μάζας της ατμόσφαιρας και το σύνολο σχεδόν των υδρατμών της, που είναι και το βασικότερο αέριο του θερμοκηπίου. Η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς μειώνεται με την αύξηση του ύψους, επειδή μειώνεται και η θερμοκρασία. Στην τροπόσφαιρα συμβαίνει σχεδόν το σύνολο των διεργασιών που ονομάζουμε καιρικά φαινόμενα. Επίσης στην τροπόσφαιρα βρίσκονται όλα τα έμβια όντα και για το λόγο αυτό μας ενδιαφέρει η μελέτη αυτού του τμήματος της ατμόσφαιρας. Η τροπόσφαιρα δεν θερμαίνεται τόσο από την απορρόφηση ακτινοβολίας, όσο με μεταφορά από τη θερμή επιφάνεια της Γης. Στην τροπόσφαιρα εκπέμπεται το σύνολο των αερίων ρύπων που προέρχονται από φυσικές ή ανθρωπογενείς πηγές. Στο κομμάτι αυτό της ατμόσφαιρας λαμβάνουν χώρα τα φαινόμενα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης τα οποία έχουν άμεσες επιπτώσεις τόσο στο φυσικό περιβάλλον όσο και στον ίδιο τον άνθρωπο. Εξαιτίας των 5

6 παραπάνω, το ενδιαφέρον της μελέτης για τη συμπεριφορά της ατμοσφαιρικής ρύπανσης εντείνεται κατά κύριο λόγο στη στρατόσφαιρα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ 2.1 Ατμοσφαιρικοί ρύποι Ατμοσφαιρική ρύπανση Ατμοσφαιρικός ρύπος είναι κάθε ουσία η οποία εισέρχεται στον αέρα του περιβάλλοντος είτε άμεσα είτε έμμεσα από τον άνθρωπο. Ένας ρύπος που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα δεν είναι κατ ανάγκη αντιληπτός όπως επίσης οι επιδράσεις του δεν είναι απαραίτητο να έχουν άμεσα και βραχυπρόθεσμες επιδράσεις στα οικοσυστήματα και τον άνθρωπο. Η παρουσία τέτοιου είδους ουσιών στην ατμόσφαιρα μπορεί να προκαλέσει την ατμοσφαιρική ρύπανση. Ατμοσφαιρική ρύπανση, επομένως, ονομάζεται η παρουσία στην ατμόσφαιρα ρύπων, δηλαδή κάθε είδους ουσιών, θορύβου, ακτινοβολίας ή άλλων μορφών ενέργειας σε ποσότητα, συγκέντρωση ή διάρκεια που μπορούν να προκαλέσουν αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία, στους ζωντανούς οργανισμούς και στα οικοσυστήματα βραχυπρόθεσμα ή μακροπρόθεσμα. Η ατμοσφαιρική ρύπανση συνδέεται κυρίως με αέριους ρύπους, αερολύματα και αιωρούμενα σωματίδια που εκπέμπονται από μεγάλη ποικιλία ρυπαντών. Κάτω από ορισμένες συνθήκες η ατμοσφαιρική ρύπανση μπορεί να δημιουργήσει ανεπιθύμητες συνθήκες διαβίωσης. Τέτοιες περιπτώσεις είναι το νέφος καπνομίχλης και το φωτοχημικό νέφος. Το νέφος καπνομίχλης σχηματίζεται όταν μετρώνται υψηλές συγκεντρώσεις ρύπων, όπως μονοξειδίου του άνθρακα, διοξειδίου του θείου και αιωρούμενων σωματιδίων σε συνδιασμό με σχετικά χαμηλή θερμοκρασία και μεγάλη σχετική υγρασία. Από την άλλη, το φωτοχημικό νέφος παρουσιάζεται όταν παρατηρούνται υψηλές θερμοκρασίες, μεγάλη σε διάρκεια και ένταση ηλιοφάνεια, μικρή σχετική υγρασία και υψηλή συγκέντρωση οξειδίων του αζώτου, υδρογονανθράκων και δευτερογενών προϊόντων τους. Οι κυριότεροι ατμοσφαιρικοί ρύποι κατατάσσονται στις παρακάτω κατηγορίες: Αιωρούμενα σωματίδια Οξείδια του αζώτου Οξείδια του θείου Μονοξείδιο του άνθρακα Πτητικές οργανικές ενώσεις και όζον Μόλυβδος Βενζόλιο 6

7 Κάποια γενικά χαρακτηριστικά τους αναφέρονται παρακάτω, ενώ αναλυτικά θα τους μελετήσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Το διοξείδιο του θείου είναι αέριο άχρωμο, άοσμο σε χαμηλές συγκεντρώσεις αλλά με έντονη ερεθιστική μυρωδιά σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις. Το όζον είναι αέριο άχρωμο, βαρύτερο του αέρα με δριμεία οσμή. Είναι ισχυρότατο οξειδωτικό. Διαλύεται δύσκολα στο νερό γι αυτό μπορεί να διεισδύσει μέχρι τους πνεύμονες με όλες τις αρνητικές συνέπειες για την υγεία των ανθρώπων. Στην ανώτερη ατμόσφαιρα (στρατόσφαιρα) το όζον έχει ευεργετικό ρόλο γιατί απορροφά τις υπεριώδεις ακτινοβολίες (UV), προστατεύοντας μας έτσι από τις βλαβερές ακτίνες του ήλιου. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι αέριο άοσμο, άχρωμο, άγευστο και ελαφρύτερο του αέρα. Είναι ο πλέον ευρέως διαδεδομένος ρύπος. Είναι αέριο με καφέ χρώμα, διαλυτό στο νερό, ισχυρό οξειδωτικό, με οξεία ερεθιστική οσμή. Εμπλέκεται και ενεργοποιεί τον φωτοχημικό κύκλο αντιδράσεων στην ατμόσφαιρα και το σχηματισμό έτσι της φωτοχημικής ρύπανσης. Σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι υπεύθυνο για την καφέ όψη του αστικού ουρανού. Τα αιωρούμενα σωματίδια είναι μικρά τεμάχια ύλης σε στερεή ή υγρή φάση, που μπορούν να αιωρούνται στην ατμόσφαιρα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Ανάλογα με την προέλευση τους μπορούν να παρουσιάζουν ανομοιογένεια στη μορφή, μέγεθος και χημική σύσταση. Όσον πιο μικρά είναι τα σωματίδια, τόσο πιο πολύ αυξάνει η πιθανότητα εισχώρησης τους στην αναπνευστική περιοχή των πνευμόνων, όπου εναποτίθενται κυρίως στις κυψελίδες των πνευμόνων και με την πάροδο του χρόνου επιφέρουν σοβαρές βλάβες στην υγεία των ανθρώπων. Το βενζόλιο είναι μια πτητική οργανική ένωση (VOC) η οποία αποτελεί ένα από τα δευτερεύοντα συστατικά της βενζίνης. Πηγές βενζολίου είναι τα πρατήρια βενζίνης και τα αυτοκίνητα διανομής της, καθώς επίσης και όλες οι μηχανές που χρησιμοποιούν βενζίνη σαν καύσιμο. Το βενζόλιο σαν αυτούσια ένωση μπορεί να προκαλέσει χρόνιες παθήσεις όπως καρκίνο, αταξία στο κεντρικό νευρικό σύστημα, ζημιές στη λειτουργία του ήπατος και των νεφρών, ανωμαλίες στην αναπαραγωγή και προβληματικές γεννήσεις. Τέλος, ο μόλυβδος είναι μαλακό μέταλλο και ανήκει στην κατηγορία των βαρέων μετάλλων. Ένα ποσοστό της σωματιδιακής σκόνης αποτελείται από σωματίδια μολύβδου. Πηγές μολύβδου μπορεί να είναι τα διαφόρου τύπου μεταφορικά μέσα που χρησιμοποιούν μολυβδούχα βενζίνη, εργοστάσια που χρησιμοποιούν μόλυβδο ή ουσίες που περιέχουν μόλυβδο και χώροι που καίνε απορρίμματα. Υψηλά ποσοστά μολύβδου μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς την πνευματική ανάπτυξη και δραστηριότητα των ανθρώπων, τη λειτουργία των νεφρών και τη χημεία του αίματος. Τα νεαρά άτομα διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο εξαιτίας της μεγαλύτερης ευαισθησίας των νεανικών ιστών και οργάνων στο μόλυβδο. 7

8 2.1.1 Εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων Το μεγαλύτερο ποσοστό των αερίων ρύπων προέρχεται από καθαρά φυσικές πηγές. Παρόλα αυτά οι ανθρωπογενείς εκπομπές είναι αυτές που προκαλούν τα μεγαλύτερα περιβαλλοντικά προβλήματα. Αυτό οφείλεται στην ανατροπή της φυσικής ισορροπίας αλλά και στη μεγάλη πυκνότητα των εκπομπών από ανθρωπογενείς δραστηριότητες οι οποίες συγκεντρώνονται σε μικρές γεωγραφικές περιοχές. Αντίθετα, η καλή διασπορά των φυσικών πηγών ανά την υφήλιο προσφέρει τη δυνατότητα καλύτερης ανάμιξης των ρύπων με τον καθαρό αέρα. Οι σημαντικότερες φυσικές πηγές είναι : Ηφαίστεια Πυρκαγιές δασών Ωκεανοί και οι θαλάσσιες εκτάσεις Τα φυτά και τα δέντρα Η αποσάθρωση του εδάφους Η βιολογική αποσύνθεση των φυτών και των ζώων Οι σημαντικότερες ανθρωπογενείς πηγές είναι : Βιομηχανικές καύσεις Παραγωγή και μεταφορά ενέργειας Μεταφορές Θέρμανση Στο παρακάτω σχήμα εμφανίζεται η κατανομή των ανθρωπογενών εκπομπών των ρύπων ανά κατηγορία πηγής. Αιωρούμενα σωματίδια 5 Πτητικές οργανικές ενώσεις 15 Οξείδια του αζώτου 16 Μονοξείδιο του άνθρακα 48 Οξείδια του θείουπτητικές οργανικές 16 ενώσεις 15% Οξείδια του αζώτου 16% Αιωρούμενα σωματίδια 5% Οξείδια του θείου 16% Μονοξείδιο του άνθρακα 48% Σχήμα 2.1: Κατανομή ανθρωπογενών πηγών και των αερίων ρύπων που εκπέμπονται από αυτές στην ατμόσφαιρα 8

9 2.1.2 Ατμοσφαιρικός κύκλος της ρύπανσης Η μεταφορά και ο μετασχηματισμός των αερίων ρύπων που εκλύονται στην ατμόσφαιρα είναι αποτέλεσμα μιας ποικιλίας ατμοσφαιρικών μηχανισμών. Οι διεργασίες που επηρεάζουν τη διασπορά των ρύπων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα : Σχήμα 2.2 : Σχηματική περιγραφή των ατμοσφαιρικών διεργασιών που επηρεάζουν τη διασπορά των ρύπων (Πηγή Δ.Μελά,1997) Στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί ανάμεσα στην εκπομπή και την εναπόθεση στο έδαφος λαμβάνουν χώρα διεργασίες που έχουν σχέση με: Την κίνηση των αερίων μαζών Τον φυσικό και χημικό μετασχηματισμό τους Τους μηχανισμούς διάχυσης και εναπόθεσης ρύπων στην υπό εξέταση περιοχή. Είναι προφανές ότι τα φαινόμενα αυτά εξαρτώνται από μια σειρά παραγόντων, όπως : Το είδος του ρύπου Την ταχύτητα και διεύθυνση του ανέμου Την ευστάθεια της ατμόσφαιρας Την ατμοσφαιρική τύρβη Τις συνθήκες εκπομπών ρύπων Τα χαρακτηριστικά των πηγών Συνοπτικά αυτές οι διεργασίες μπορούν να περιγραφούν ως εξής: 9

10 Καταρχάς, ο ρύπος μεταφέρεται από μια πηγή σε έναν αποδέκτη με τη βοήθεια του ανέμου. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς όμως ο ρύπος, λόγω της τύρβης και των στροβίλων αναμειγνύεται στο χώρο με τον περιβάλλοντα αέρα και έτσι έχουμε την ατμοσφαιρική διάχυση. Με τη διάχυση, η αρχική πυκνότητα του ρύπου μειώνεται και έχουμε τη διασπορά του ρύπου. Με τον όρο μετασχηματισμό του ρύπου ορίζουμε την παραγωγή (ή καταστροφή) ενός δεδομένου στοιχείου διαμέσου φυσικών και χημικών διαδικασιών. Οι χημικές αντιδράσεις των ρύπων μπορεί να δώσουν και ουσίες που δεν είναι ρύποι. Χαρακτηριστικά παραδείγματα χημικών μετασχηματισμών είναι : οι χημικές αντιδράσεις οξείδωσης και οι φωτοχημικές αντιδράσεις φωτόλυσης κάποιων στοιχείων. Τέλος η μεταφορά των ρύπων από την ατμόσφαιρα στο έδαφος ονομάζεται εναπόθεση και είναι μια φυσική διαδικασία απομάκρυνσης των ρύπων από την ατμόσφαιρα. Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι εναπόθεσης : Υγρή εναπόθεση Ξηρή εναπόθεση Καθίζηση Στις παραπάνω διεργασίες και στην εξέλιξή τους, σημαντικό ρόλο παίζουν η ευστάθεια της ατμόσφαιρας καθώς και ο τρόπος διασποράς των ατμοσφαιρικών ρύπων. Για το λόγο αυτό, θα γίνει εκτενέστερη αναφορά των δύο παραπάνω παραγόντων στη συνέχεια Ευστάθεια ατμόσφαιρας Στη μετεωρολογία με τον όρο ευστάθεια της ατμόσφαιρας εννοούμε τις συνθήκες εκείνες κατά τις οποίες δεν παρατηρούνται φαινόμενα διέγερσης της κανονικής τιμής τόσο της βαροβαθμίδας (Μαθηματικά εκφράζεται ως η παράγωγος p της πίεσης ως προς την κάθετο προς τις ισοβαρείς διεύθυνση, ) όσο και της n θερμοβαθμίδας (ως θερμοβαθμίδα ορίζουμε τη διαφορά θερμοκρασίας με αποτέλεσμα τη μετάδοση θερμότητας με μεταφορά. Μαθηματικά εκφράζεται ως η αρνητική παράγωγος της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας ως προς το ύψος T ( ), δηλαδή δεν παρατηρούνται μεταφορές αερίων μαζών. Επίσης ευσταθής z λέγεται η ατμόσφαιρα όταν η τιμή της κατακόρυφης θερμοβαθμίδας είναι μικρότερη των 0,64 ο C / 100m, γιατί η αναλογία αυτή αποκλείει τη δημιουργία ανοδικών ρευμάτων, δηλαδή κατακόρυφης μεταφοράς. Επομένως, όταν η ατμόσφαιρα βρίσκεται σε κατάσταση ευστάθειας, δεν παρατηρούνται ανοδικές κινήσεις του αέρα. Όταν έχουμε συνθήκες αστάθειας παρατηρούνται έντονες ανοδικές κινήσεις αερίων μαζών. Οι ανοδικές αυτές κινήσεις μπορεί να έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία υδρατμών, το σχηματισμό βροχής αλλά και άλλων μετεωρολογικών φαινομένων. 10

11 Στην ατμόσφαιρα ισχύει η υδροστατική εξίσωση, η οποία εκφράζεται από τη σχέση : Αν τώρα θεωρήσουμε ότι δεν ισχύει η υδροστατική ισορροπία, τότε το στοιχείο της ατμόσφαιρας θα έχει επιτάχυνση. Το μέτρο της επιτάχυνσης θα είναι : 1 p z g z Με κατάλληλους μετασχηματισμούς και μαθηματικές πράξεις προκύπτει ο τύπος : z g z Η παραπάνω σχέση μας λέει ότι η κατακόρυφη επιτάχυνση ενός στοιχείου αέρα είναι συνάρτηση της θερμοβαθμίδας του (γ') καθώς και της θερμοβαθμίδας του περιβάλλοντος (γ). Διακρίνουμε τρεις περιπτώσεις : 1. γ'> γ, τότε η επιτάχυνση είναι θετική και το στοιχείο επιταχύνεται προς τα επάνω. 2. γ'= γ, τότε η επιτάχυνση είναι μηδέν 3. γ'< γ, τότε η επιτάχυνση είναι αρνητική και το στοιχείο επιταχύνεται προς τα κάτω Με βάση το είδος της επιτάχυνσης μπορούμε να χαρακτηρίσουμε την ατμόσφαιρα ασταθή (αρνητική επιτάχυνση) ή ευσταθή (θετική επιτάχυνση) αντίστοιχα. Επομένως, ΞΗΡΟΣ ΑΕΡΑΣ ΚΕΚΟΡΕΣΜΕΝΟΣ ΑΕΡΑΣ γ >γ ασταθής γ >γ ασταθής γ <γ ευσταθής ατμόσφαιρα ατμόσφαιρα ατμόσφαιρα γ >γ ατμόσφαιρα ασταθής γ >γ ατμόσφαιρα ασταθής γ <γ ατμόσφαιρα ευσταθής Πίνακας 2.1 Ευστάθεια και αστάθεια της ατμόσφαιρας 11

12 Είδαμε ότι στην περίπτωση της ευσταθούς ατμόσφαιρας, το στοιχείο αέρα επιστρέφει προς την αρχική θέση ισορροπίας του. Λόγω όμως της αδράνειάς του, ξεπερνάει την αρχική θέση ισορροπίας, με αποτέλεσμα να ξεκινάει μια φθίνουσα ταλάντωση γύρω από τη θέση αυτή, την οποία ονομάζουμε ταλάντωση Brunt Vaisala. Μια ακραία περίπτωση ευσταθούς ατμόσφαιρας είναι η θερμοκρασιακή αναστροφή. Όπως γνωρίζουμε, η θερμοκρασία στην τροπόσφαιρα μειώνεται με το ύψος. Στις περιπτώσεις που γίνεται το αντίθετο, δηλαδή η θερμοκρασία να αυξάνεται με το ύψος για μικρές κατακόρυφες μεταβολές, τότε παρουσιάζεται το φαινόμενο της θερμοκρασιακής αναστροφής. Επομένως, θερμοκρασιακές αναστροφές δημιουργούνται όταν η θερμοκρασία στην τροπόσφαιρα αυξάνει ή παραμένει σταθερή για μικρές σχετικά αυξήσεις του ύψους. Κατά τη θερμοκρασιακή αναστροφή, η θερμοβαθμίδα του περιβάλλοντος είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή του στοιχείου αέρα με αποτέλεσμα να είναι πιο δύσκολη η ανάπτυξη κατακόρυφης κίνησης. Η σταθερότητα που προκαλεί η αναστροφή, έχει σαν αποτέλεσμα να παγιδεύεται ο αέρας μεταξύ του εδάφους και του ύψους αναστροφής, με αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των ρύπων. Οι αναστροφές προκαλούνται από διάφορα αίτια, ανάλογα με τα οποία και τις ταξινομούμε. Οι διάφορες κατηγορίες αναστροφών επιγραμματικά είναι οι παρακάτω: αναστροφές ακτινοβολίας, αληγής ή αντικυκλωνική αναστροφή, αναστροφή θερμής μεταφοράς, αναστροφή χιονοσκεπούς εδάφους, αναστροφή ορογραφίας, μετωπικές αναστροφές και δυναμικές αναστροφές. Η ευστάθεια της ατμόσφαιρας και οι θερμοκρασιακές αναστροφές είναι άμεσα συνδεδεμένες με τη διασπορά των αερίων ρύπων. Ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η διασπορά των ρύπων επηρεάζει λιγότερο ή περισσότερο μια περιοχή και επιδρά αντίστοιχα στα οικοσυστήματα και τον άνθρωπο. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι διασποράς οι οποίοι εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες και η μελέτη των οποίων γίνεται παρακάτω Τρόποι διασποράς των ατμοσφαιρικών ρύπων Η διαφορά μεταξύ των τρόπων διασποράς των ρύπων οφείλεται κατά κύριο λόγο στη θερμοβαθμίδα του θυσάνου και τη θερμοβαθμίδα του περιβάλλοντος. Ως θερμοβαθμίδα ορίζουμε την αρνητική παράγωγο της θερμοκρασίας σε συνάρτηση με το ύψος. Οι αέριοι ρύποι όταν αφήνουν την καμινάδα είναι κατά κανόνα θερμότεροι από τον περιβάλλοντα χώρο. Το γεγονός αυτό σε συνδιασμό με την ορμή που έχουν τα καυσαέρια φτάνοντας στην κορυφή της καμινάδας έχουν σαν αποτέλεσμα ο θύσανος να ανυψώνεται μέχρι ενός ορισμένου ύψους. Το ύψος αυτό είναι φυσικά ψηλότερο του ύψους της καμινάδας και ονομάζεται ενεργό ύψος. Η διαφορά ανάμεσα 12

13 στο φυσικό και το ενεργό ύψος της καμινάδας ονομάζεται αρχική ανύψωση του θυσάνου. Η αρχική ανύψωση του θυσάνου έχει μεγάλη σημασία στην ποιότητα του αέρα της περιοχής και στον τρόπο διασποράς των ρύπων που βρίσκονται εντός του θυσάνου. Σχήμα 2.3: Διάφορες περιπτώσεις διασποράς ρύπων Ελλεικοειδής διασπορά fanning Η ελλεικοειδής διασπορά πήρε το όνομά της από το γεγονός ότι η μορφή του θυσάνου θυμίζει τα απόνερα έλικας πλοίου. Για να δημιουργηθεί θα πρέπει η θερμοβαθμίδα του θυσάνου (γ) να είναι μεγαλύτερη από τη θερμοβαθμίδα του περιβάλλοντος (γ ) και χρειάζονται ιδιαίτερα ευσταθείς συνθήκες. Τα στοιχεία του θυσάνου δεν έχουν τη δυνατότητα να μετατοπιστούν πολύ από το ύψος εκπομπής τους. Επομένως η κατακόρυφη διασπορά του θυσάνου είναι πολύ μικρή ενώ η οριζόντια διασπορά παίζει πολύ σημαντικό ρόλο. Η ελλεικοειδής διασπορά εμφανίζεται κυρίως τη νύχτα, κάτω από συνθήκες ιδιαίτερης ευστάθειας, με ισχυρή θερμοκρασιακή αναστροφή, ενώ οι άνεμοι είναι ασθενείς και μεταβλητών διευθύνσεων. Η ισχυρή ευστάθεια δεν επιτρέπει την ανάπτυξη κατακόρυφης τύρβης και διάχυσης ενώ οι μεταβλητές διευθύνσεις των ανέμων δημιουργούν τους μαιάνδρους του θυσάνου. Αν ο άνεμος είναι σταθερής διεύθυνσης τότε η νυχτερινή οριζόντια διασπορά είναι μικρής έκτασης και ο θύσανος έχει σχήμα ταινιών, το μήκος των οποίων μπορεί να είναι πολύ μεγάλο, δεδομένου του ότι οι ρύποι παραμένουν συγκεντρωμένοι σε αυτές. Σε περιοχές όπου έχουμε έντονες νυχτερινές αναστροφές ακτινοβολίας, επειδή αυτές είναι χαμηλού ύψους, επιλέγουμε καμινάδες των οποίων το ύψος είναι μεγαλύτερο από το ύψος αναστροφής. Με τον τρόπο αυτό, οι εκπεμπόμενοι θύσανοι παραμένουν ψηλά και δεν επηρεάζουν το έδαφος. Ενδέχεται όμως να επηρεαστούν λόφοι ή κτίρια τα οποία βρίσκονται στην πορεία των επικρατούντων ανέμων. 13

14 Σχήμα 2.4 : Ελλεικοειδής διασπορά Καπνισμός (fumigation) Εμφανίζεται όταν το ύψος αναστροφής είναι περίπου ίδιο με το ύψος εκπομπής των ρύπων. Για να δημιουργηθεί στην περιοχή μεταξύ επιφάνειας εδάφους και ύψους αναστροφής επικρατούν συνθήκες αστάθειας ενώ μετά το ύψος εκπομπής δημιουργούνται ευσταθείς συνθήκες. Ο καπνισμός συναντάται λίγο μετά την ανατολή του ηλίου, οπότε η νυχτερινή αναστροφή εξουδετερώνεται και τη θέση της παίρνει ένα ασταθές στρώμα το οποίο αναπτύσσεται μέχρι την κορυφή του θυσάνου. Μόλις ο θύσανος εισέλθει στο ασταθές στρώμα, η τύρβη μεταφοράς προκαλεί την ανάμιξή του προς το έδαφος ενώ η υπερκείμενη αναστροφή εμποδίζει την ανάμιξή του προς τα πάνω. Ο καπνισμός είναι ένα μεταβατικό φαινόμενο αλλά έχει σαν αποτέλεσμα τη μέγιστη συγκέντρωση ρύπων στο έδαφος, για μικρό χρονικό διάστημα, γιατί σταδιακά το ύψος αναστροφής υπερβαίνει το ύψος εκπομπής. Τότε οι ρύποι διαχέονται σε μεγαλύτερα ύψη και σταματάει ο καπνισμός. Ο καπνισμός είναι σταθερός και συνεχής στην περίπτωση όπου ο θύσανος που εκπέμπεται σε παράκτια περιοχή συναντά το οριακό στρώμα που αναπτύσσεται στη θερμότερη ξηρά. Τότε ο καπνισμός διατηρείται για αρκετές ώρες λόγω της θαλάσσιας αύρας. Σχήμα 2.5 : Καπνισμός 14

15 Κατακόρυφος κυκλική διασπορά (looping) Συμβαίνει κάτω από συνθήκες αστάθειας όταν υπάρχουν έντονα θερμικά φαινόμενα, συνήθως το μεσημέρι ή το απόγευμα. Αυτές οι συνθήκες προκαλούν έντονη θερμική κυκλοφορία, υπό μορφή ανοδικών και καθοδικών κινήσεων σε όλη την έκταση του οριακού στρώματος. Οι κινήσεις αυτές συμπαρασύρουν τους ρύπους διαδοχικά προς τα πάνω και προς τα κάτω με αποτέλεσμα να εμφανίζεται το συγκεκριμένο σχήμα του θυσάνου. Στιγμιαία ή βραχυπρόθεσμα, ο μηχανισμός αυτός μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση των ρύπων σε αποστάσεις αρκετά κοντά στην πηγή. Σχήμα 2.5 : Κατακόρυφος κυκλική διασπορά Κωνική διασπορά (coning) Ο θύσανος έχει κωνική μορφή εκτεινόμενος τόσο στην οριζόντια όσο και στην κατακόρυφη διάσταση. Η κατάσταση αυτή παρατηρείται όταν υπάρχουν σύννεφα και άνεμος και η ατμόσφαιρα είναι ασταθής. Αυτές οι καιρικές συνθήκες μπορούν να συμβούν καθ όλη τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου καθώς σχετίζονται με τη διέλευση καταιγίδων που οφείλονται σε κυκλώνες ή με τη διέλευση μετώπων. Σχήμα 2.6 : Κωνική διασπορά 15

16 Διασπορά υπέρ την αναστροφή (lofting) Ο θύσανος παραμένει πάνω από το ύψος αναστροφής κα πάνω από το σταθερό οριακό στρώμα. Αυτό συμβαίνει λίγο μετά τη μετάβαση από ασταθείς σε ευσταθείς συνθήκες, χρονικά κοντά στο ηλιοβασίλεμα. Η ισχυρή επιφανειακή αναστροφή εμποδίζει τους ρύπους να διαχυθούν κάτω από το ύψος αναστροφής, με αποτέλεσμα αυτοί να συγκεντρώνονται σε ένα λεπτός στρώμα πάνω από την αναστροφή. Ανάλογα με το ύψος εκπομπής αλλά και ανάλογα με το ύψος αναστροφής, το φαινόμενο μπορεί να διατηρηθεί από μερικές ώρες έως και ολόκληρη τη νύχτα. Σχήμα 2.7 : Διασπορά υπέρ την αναστροφή 2.2 Επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης Όπως έχει ήδη αναφερθεί οι επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης παίζουν καθοριστικό ρόλο στην υποβάθμιση των οικοσυστημάτων και της ποιότητας ζωής των ανθρώπων. Ανάλογα με το είδους του ρύπου που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα προκαλούνται και οι αντίστοιχες επιδράσεις. Παρακάτω αναφέρονται συνοπτικά οι κυριότερες από αυτές τις συνέπειες. Μείωση της ορατότητας (λόγω αυξημένης σκέδασης) Αύξηση της συχνότητας σχηματισμού ομίχλης Μείωση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας Μεταβολή του μικροκλίματος Συνέπειες παγκοσμίου κλίμακας Η ατμοσφαιρική ρύπανση προκαλεί φθορές και στα υλικά καθώς μπορεί να προκαλέσει διάβρωση και να καταστρέψει ιστορικά αλλά και σύγχρονα μνημεία και κτίρια Κύριος υπεύθυνος για αυτές τις καταστροφές είναι η όξινη βροχή, η οποία δημιουργείται με τη διάλυση ενώσεων του θείου και του αζώτου στο νερό της βροχής, προκαλώντας έτσι την οξίνισή του (αύξηση του ph). 16

17 Επίσης, υπάρχουν σημαντικές επιπτώσεις στη χλωρίδα και την πανίδα. Η ατμοσφαιρική ρύπανση μπορεί να επηρεάσει άμεσα ή έμμεσα τις λειτουργίες ενός φυτού. Ανάλογα με το είδους του ρύπου μπορεί να προκληθεί μείωση της παραγωγικότητάς του, ελάττωση της φωτοσυνθετικής του ικανότητας και γενικότερα μεταβολή της ισορροπίας του. Οι επιπτώσεις στην πανίδα έχουν να κάνουν με την άμεση προσβολή του οργανισμού των ζώων από τους ρύπους που αυτά εισπνέουν αλλά και με την έμμεση ζημιογόνο επίδραση των ρύπων μέσω της τροφής που καταναλώνουν. Τέλος πολύ σημαντικές είναι οι επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην υγεία του ανθρώπου. Αν και οι μελέτες πάνω στο θέμα αυτό αντιμετωπίζουν δυσκολίες στην πρόβλεψη, λόγω έλλειψης αντιπροσωπευτικού δείγματος και της συνεργούς δράσης πολλών ρυπαντών, μπορούμε να αναφέρουμε τα εξής παραδείγματα : Κάποιες ενώσεις υδρογονανθράκων έχουν καρκινογόνο δράση. Το μονοξείδιο του άνθρακα αντιδρά με την αιμοσφαιρίνη του αίματος και σε μεγάλες συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει μείωση των αντανακλαστικών, πονοκεφάλους, απώλεια αισθήσεων, ακόμα και θάνατο. Μειώνεται η ικανότητα του αίματος να μεταφέρει οξυγόνο σε βασικούς ιστούς του οργανισμού, επιδρώντας κυρίως στο καρδιοαγγειακό και νευρικό σύστημα. Το διοξείδιο του αζώτου μπορεί να προκαλέσει αναπνευστικές ασθένειες στα παιδιά και προκαλεί δυσκολία στην αναπνοή στους ασθματικούς. Υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου επιφέρουν αυξημένη συχνότητα ασθενειών του αναπνευστικού συστήματος και υψηλότερη θνησιμότητα. Τα αιωρούμενα σωματίδια ανάλογα με τη χημική τους σύσταση και το μέγεθός τους, μπορούν να εισχωρήσουν στο αναπνευστικό σύστημα και να προκαλέσουν διάφορες ασθένειες καθώς και προβλήματα στην αναπνοή. Τα φωτοχημικά οξειδωτικά προκαλούν ερεθισμούς βλεννογόνων και επιτείνουν ασθένειες του αναπνευστικού συστήματος. Το όζον είναι εξαιρετικά τοξικό και η έκθεση του ατόμου σε υψηλές συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει ζάλη, εμετούς, κλπ. Επίσης προκαλεί ερεθισμό στην αναπνευστική οδό,, διαταραχή της αναπνευστικής λειτουργίας, άσθμα, πιθανή επιδεκτικότητα σε μολύνσεις του αναπνευστικού, ερεθισμό των ματιών κλπ Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να τονιστεί πως οι οποιεσδήποτε μελέτες έχουν γίνει πάνω στην επίδραση των ρύπων στην ανθρώπινη υγεία αφορούν τις βραχυπρόθεσμες επιδράσεις τους. Όσον αφορά τη μακροπρόθεσμη επίδρασή τους, πιθανολογούνται αρνητικές συνέπειες στη δομή των κυττάρων και γενικότερα σε διάφορες γενετικές ιδιότητες. 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Λόγω των σοβαρών επιπτώσεων των ρύπων στο περιβάλλον και τον άνθρωπο, έχουν θεσμοθετηθεί κάποια ανώτατα όρια, τα οποία καθορίζονται σύμφωνα με τα όρια ποιότητας της ατμόσφαιρας που έχουν καθιερωθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Με στόχο τη βελτίωση του περιβάλλοντος της Ευρώπης συστάθηκε ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος, ο οποίος έχει σαν κύρια αρμοδιότητα την παροχή αξιόπιστων και συγκρίσιμων πληροφοριών για το περιβάλλον στους υπεύθυνους για τη λήψη αποφάσεων και μέτρων πρόληψης, αλλά και στους πολίτες. Τα όρια που έχουν θέσει από την Ε.Ε. αναφέρονται τόσο στην προστασία της ανθρώπινης υγείας όσο και σ αυτή των οικοσυστημάτων. Στην Ελλάδα ισχύουν νομοθετημένα όρια για τους ατμοσφαιρικούς ρύπους : διοξείδιο του αζώτου, όζον, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, μόλυβδο, βενζόλιο και αιωρούμενα σωματίδια. Μέχρι σήμερα έχουν εκδοθεί: Η οδηγία πλαίσιο για την ατμοσφαιρική ρύπανση (οδηγία 1996/62/ΕΚ) για την εκτίμηση και διαχείριση της ποιότητας του αέρα του περιβάλλοντος (ΚΥΑ 3277/209/2000, ΦΕΚ 180/Β/ ) Η πρώτη θυγατρική της οδηγία (οδηγία 1999/30/ΕΚ) για τις οριακές τιμές διοξειδίου του θείου, οξειδίων του αζώτου, σωματιδίων και μολύβδου στον αέρα του περιβάλλοντος (ΦΕΚ 125/Β/5-6-02) Η δεύτερη θυγατρική της οδηγία (οδηγία 2000/69/ΕΚ) για τις οριακές τιμές βενζολίου και μονοξειδίου του άνθρακα στον αέρα του περιβάλλοντος Η τρίτη θυγατρική της οδηγία (οδηγία 2002/3/ΕΚ) σχετικά με το όζον στον ατμοσφαιρικό αέρα Η τέταρτη θυγατρική της οδηγία (οδηγία 2004/107/ΕΚ) σχετικά με το αρσενικό, κάδμιο, υδράργυρο, νικέλιο και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες στον αέρα του περιβάλλοντος Η οδηγία 2008/50/ΕΚ η οποία συσσωματώνεται στις προηγούμενες οδηγίες αλλά και την απόφαση 97/101/ΕΚ που αφορά στην καθιέρωση διαδικασίας για την αμοιβαία ανταλλαγή πληροφοριών και δεδομένα ατμοσφαιρικής ρύπανσης από διάφορα δίκτυα και μεμονωμένους σταθμούς Με βάση τις παραπάνω οδηγίες, ορίζεται μια οριακή τιμή για την προστασία της ανθρώπινης υγείας καθώς και το έτος έναρξης της ισχύς της. Επίσης τα κράτη μέλη της Ε.Ε. οφείλουν να εκπονούν αλλά και να υλοποιούν σχέδια δράσης, με στόχο τη σωστή και έγκυρη προετοιμασία τους όσον αφορά την επίτευξη και τη μετέπειτα τήρηση των ορίων για τους ατμοσφαιρικούς ρύπους. Τα όρια τα οποία έχουν τεθεί από την Ε.Ε. καθώς και το έτος ισχύος τους φαίνονται στον παρακάτω πίνακα : 18

19 Πίνακας 2.2 : Οριακές τιμές ατμοσφαιρικής ρύπανσης και τα αντίστοιχα έτη ισχύος Επίσης τίθενται και όρια εκτάκτων μέτρων για τον περιορισμό της ρύπανσης σε περιπτώσεις που αναμένεται αύξηση των τιμών ρύπανσης κυρίως λόγω εξαιρετικά δυσμενών συνθηκών. Τα όρια για τα οποία λαμβάνονται έκτακτα μέτρα φαίνονται παρακάτω : 19

20 Πίνακας 2.3 : Όρια επιβολής έκτακτων μέτρων Τα μέτρα λαμβάνονται όταν οι μετρούμενες τιμές προσεγγίσουν ή υπερβούν τα όρια εκτάκτων μέτρων και γίνεται και πρόβλεψη για τις τιμές των ρύπων τις επόμενες ημέρες. Έχοντας θέσει τα ανώτατα όρια εκπομπών αερίων ρύπων στην ατμόσφαιρα, το εθνικό δίκτυο παρακολούθησης της ατμόσφαιρας έχει εγκαταστήσει σε όλες τις μεγαλουπόλεις και τα αστικά κέντρα διάφορους αυτόματους σταθμούς για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΣΤΑΘΜΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ 4.1 Αυτόματοι σταθμοί εγκατάστασης στην Ελλάδα Κάθε τέτοιος σταθμός είναι συνδεδεμένος με σύστημα τηλεμετάδοσης με τον κεντρικό σταθμό που βρίσκεται στην έδρα κάθε περιφερειακής αρχής. Όλοι οι σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με σύστημα αποθήκευσης δεδομένων, σύστημα τηλεμετάδοσης, σύστημα βαθμονόμησης σε συνδιασμό με σύστημα αραίωσης και 20

21 παροχής καθαρού αέρα ενώ κάποιοι από τους σταθμούς διαθέτουν και μετεωρολογικό σταθμό. Τέλος όλοι οι σταθμοί του εθνικού δικτύου είναι συνδεδεμένοι με την κεντρική έδρα του συστήματος, όπου συλλέγονται τα δεδομένα από το σύνολο των σταθμών. Στην Ελλάδα αυτή τη στιγμή υπάρχουν εγκατεστημένοι 36 αυτόματοι σταθμοί σε διάφορα σημεία ενώ τα μελλοντικά σχέδια προβλέπουν επέκταση του δικτύου με εγκατάσταση και λειτουργία νέων σταθμών, την ανανέωση του μετρητικού εξοπλισμού των υπαρχόντων σταθμών και την ανάπτυξη και λειτουργία χημικού εργαστηρίου εντός των σταθμών προκειμένου να εξακριβώνεται η αξιοπιστία των μετρούμενων ρύπων. Σχήμα 2.8 : Εγκατεστημένοι σταθμοί στην Ελλάδα 21

22 Στην περιοχή της Πάτρας οι σταθμοί μέτρησης είναι εγκατεστημένοι: Στο πάνω μέρος της Πλατείας Γεωργίου Στην πλατεία Δροσοπούλου, κοντά στον Ι.Ν. Αγ. Διονυσίου Σχήμα 2.9 : Σταθμοί μέτρησης ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην Πάτρα Οι ρύποι που μετρούν οι σταθμοί εμφανίζονται παρακάτω : Σχήμα 2.10 : Μέθοδοι μέτρησης ρύπων 4.2 Ανάλυση και μέτρηση των αερίων ρύπων Με βάση τα παραπάνω, τίθεται επιτακτική η ανάγκη μέτρησης των αερίων ρύπων στα αστικά κέντρα προκειμένου να μπορέσουμε να προβλέψουμε την εξέλιξή τους και να λάβουμε μέτρα για τον περιορισμό τους. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας και η συνεχής έρευνα μας βοήθησε στο να δημιουργηθεί και να αναπτυχθεί μια μεγάλη 22

23 ποικιλία οργάνων και μεθόδων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί αποτελεσματικά ένας μεγάλος αριθμός ρύπων και χημικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα. Οι μετρήσεις των ρύπων γίνονται είτε με δειγματοληπτικές μεθόδους και ανάλυση στο εργαστήριο είτε με συνεχείς μετρήσεις επιτόπου αλλά και με τη μέθοδο της τηλεπαρατήρησης (παρατήρηση από μακριά). Οι μέθοδοι αυτοί μας επιτρέπουν να κάνουμε μια χωροχρονική καταγραφή της σύνθεσης της ατμόσφαιρας που μας περιβάλλει. Κατά τη μέτρηση των αερίων ρύπων έχουμε δύο βασικούς στόχους : Την ορθή ταυτοποίηση των ρύπων Τον ποσοτικό τους προσδιορισμό Οι τεχνικές που συνήθως εφαρμόζονται στη μελέτη και μέτρηση των αερίων ρύπων είναι οι εξής : Χρωματογραφία Φωτομετρία Υπέρυθρη και υπεριώδη φασματοσκοπία Φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης Φασματοσκοπία με ακτίνες Χ Φασματομετρία μάζας Ηλεκτροχημικές τεχνικές Παρακάτω θα αναφερθούν τα όργανα και οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των πιο βασικών αερίων ρύπων Μέτρηση μονοξειδίου (CO) και διοξειδίου του άνθρακα (CO2) Για να μετρηθεί το μονοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, χρησιμοποιείται η μέθοδος απορρόφησης στο υπέρυθρο (NDIR) που βασίζεται στη μη- σκεδαζόμενη υπέρυθρη φωτομετρία. Το μονοξείδιο του άνθρακα απορροφά ένα μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Έτσι, η μέτρηση της εξασθένισης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας λόγω απορρόφησης από το CO του δείγματος οδηγεί στη μέτρηση της συγκέντρωσης του CO στο δείγμα. Δείγματα μέσω των εγκατεστημένων σταθμών λαμβάνονται κάθε μια ώρα από ανιχνευτές IR. Η αρχή λειτουργίας και τα δομικά μέρη ενός τέτοιου ανιχνευτή φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: 23

24 Σχήμα 2.11 : Αρχή λειτουργίας της μεθόδου απορρόφησης στο υπέρυθρο Κάθε όργανο διαθέτει μια κυψελίδα με ειδική ακτινοβολία που εκπέμπει σε συγκεκριμένο μήκος κύματος έτσι ώστε να ανταποκρίνεται στη μέτρηση του CO. Το κελί αναφοράς γεμίζει με αέριο αναφοράς που δεν απορροφάς το υπέρυθρο και το κελί του δείγματος γεμίζεται με ατμοσφαιρικό αέρα που θέλουμε να αναλύσουμε τη σύστασή του και περιέχει άγνωστη ποσότητα CO. ο ανιχνευτής είναι χωρισμένος μέσω μιας ελαστικής μεμβράνης σε δυο τμήματα και κάθε τμήμα είναι γεμισμένο με CO. Η κίνηση της μεμβράνης προκαλεί αλλαγή στην ηλεκτρική χωρητικότητα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ελέγχου του οποίου το σήμα επεξεργάζεται και στη συνέχεια καταγράφεται σε ένα σύστημα αποθήκευσης δεδομένων. Ο περιστρεφόμενος έλικας εκθέτει περιοδικά τα δύο τμήματα του οργάνου σε υπέρυθρη ακτινοβολία. Το τμήμα αναφοράς εκτίθεται σε σταθερή ποσότητα υπέρυθρης ακτινοβολίας, η οποία μεταδίδεται στον ανιχνευτή, ενώ το τμήμα του οργάνου που περιέχει το δείγμα του ατμοσφαιρικού αέρα μεταδίδει στον ανιχνευτή εξασθενημένη ποσότητα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η ποσότητα αυτή είναι αντιστρόφως ανάλογη της συγκέντρωσης του CO στο δείγμα. Οι άνισες ποσότητες 24

25 ακτινοβολίας που λαμβάνονται από τα δύο τμήματα του ανιχνευτή προκαλούν κίνηση της μεμβράνης παράγοντας εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα του οποίου η συχνότητα καθορίζεται από την ταχύτητα περιστροφής και την περίοδο του περιστρεφόμενου έλικα. Αντίστοιχα όργανα χρησιμοποιούνται και για τη μέτρηση του CO 2. Η μοναδική διαφορά είναι πως επειδή έχουμε υψηλές συγκεντρώσεις N 2 O στο δείγμα, οι ανιχνευτές είναι εφοδιασμένοι με παγίδες οι οποίες δεσμεύουν τα νιτρώδη οξείδια Μέτρηση του όζοντος (O 3 ) Η μέτρηση του όζοντος γίνεται με τη μέθοδο απορρόφησης στο υπεριώδες και οι μετρήσεις από τους σταθμούς λαμβάνονται κάθε μία ώρα. Το όζον απορροφά συγκεκριμένο μήκος κύματος υπεριώδους ακτινοβολίας (253nm). Ο αναλυτής χρησιμοποιεί σαν αέριο αναφοράς ένα τμήμα του δείγματος το οποίο έχει καθαριστεί από το όζον. Η μέτρηση της εξασθένισης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο δείγμα, μας οδηγεί στη μέτρηση της συγκέντρωσης του O 3. Μια άλλη μέθοδος η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση των ποσοτήτων του όζοντος στην ατμόσφαιρα είναι η χημειοφωταύγεια. Τα κύρια εξαρτήματα των οργάνων αυτής της μεθόδου είναι : μια μόνιμη πηγή αιθυλενίου, μια γραμμή εισόδου ατμοσφαιρικού αέρα, ένας θάλαμος αντίδρασης, ένας φωτοπολλαπλασιαστής και ένα κύκλωμα επεξεργασίας των ενδείξεων. Όταν το όζον και το αιθυλένιο αντιδρούν, τα προϊόντα που σχηματίζονται βρίσκονται σε διεγερμένη ηλεκτρονιακή κατάσταση. Αυτά τα προϊόντα φθορίζουν εκπέμποντας φως. Ο ρυθμός με τον οποίο λαμβάνεται το φως από τον φωτοπολλαπλασιαστή εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις του όζοντος και του αιθυλενίου. Αν η συγκέντρωση του αιθυλενίου επιλεγεί να είναι πολύ μεγαλύτερη αυτής του όζοντος, το φως που εκλύεται είναι ανάλογο μόνο της συγκέντρωσης του όζοντος. Με τη βοήθεια γεννήτριας O 3 μπορούν να δημιουργηθούν πολλά μίγματα γνωστής σύστασης σε όζον ώστε η βαθμονόμηση του οργάνου να είναι αξιόπιστη Μέτρηση οξειδίων του αζώτου (ΝΟ χ) Η βασική μέθοδος μέτρησης και εδώ είναι η χημειοφωταύγεια και οι μετρήσεις από τους διάφορους σταθμούς λαμβάνονται κάθε μια ώρα. Όταν το μονοξείδιο του αζώτου αντιδρά με το όζον, οξειδώνεται σε διοξείδιο του αζώτου, τμήμα του οποίου βρίσκεται σε διέγερση και εκπέμπει ακτινοβολία όταν αποδιεγείρεται. Η μέτρηση της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης του μονοξειδίου του άνθρακα στο δείγμα. Η συγκέντρωση του όζοντος που παρέχεται είναι σταθερή, έτσι 25

26 ώστε η παραγωγή φωτός να είναι ανάλογη μόνο της συγκέντρωσης NO που περιέχεται στο δείγμα του ατμοσφαιρικού αέρα που χρησιμοποιούμε. Η μέθοδος της χημειοφωταύγειας αναπαριστάται σχηματικά ως εξής : Σχήμα 2.12 : Μέθοδος χημειοφωταύγειας Ο εισερχόμενος ατμοσφαιρικός αέρας ακολουθεί ένα δρόμο δύο καναλιών στο όργανο μέτρησης. Το πρώτο κανάλι μετατρέπει αποκλειστικά το μονοξείδιο του αζώτου (NO). Το NO που περιέχεται στον ατμοσφαιρικό αέρα του δείγματος αντιδρά με το όζον και το φως που παράγεται μετριέται από το σωλήνα του φωτοπολλαπλασιαστή και στη συνέχεια μετατρέπεται σε συγκέντρωση NO. Το δεύτερο κανάλι μετράει το σύνολο των οξειδίων του αζώτου (ΝΟ και NO 2 ). Καθώς ο ατμοσφαιρικός αέρας εισέρχεται σε αυτό το κανάλι, μέσω ενός μετατροπέα το NO 2 μετατρέπεται ποσοτικά σε ΝΟ. Έτσι η συνολική ποσότητα των ΝΟ χ έχει μετατραπεί σε μονοξείδιο του αζώτου το οποίο αντιδρά με το όζον. Το φως που παράγεται μετριέται και πάλι από το φωτοπολλαπλασιαστή και προκύπτει η συνολική συγκέντρωση των οξειδίων του αζώτου. Η συγκέντρωση του διοξειδίου του αζώτου που μας ενδιαφέρει προκύπτει σα διαφορά των σημάτων των δύο διαδρομών που ακολούθησε ο ατμοσφαιρικός αέρας στο εσωτερικό του οργάνου μέτρησης. (ΝΟ χ - ΝΟ) 26

27 4.2.4 Μέτρηση διοξειδίου του θείου (SO2) Η μέτρηση του SO 2 μπορεί να γίνει είτε με δειγματοληπτικές μεθόδους και στη συνέχεια ανάλυση στο εργαστήριο είτε με αναλυτές συνεχούς καταγραφής. Στην περίπτωση των δειγματοληπτικών μεθόδων τα δείγματα συλλέγονται στέλνοντας υπό μορφή φυσαλίδων γνωστό όγκο αερίου μέσω ενός υγρού φορέα συλλέκτη. Το υγρό περιβάλλον περιέχει χημικά τα οποία κατακρατούν το διοξείδιο του θείου στο διάλυμα, είτε συμπλοκοποιώντας το, είτε οξειδώνοντάς το σε μια πιο σταθερή μορφή. Στη συνέχεια, τα δείγματα μεταφέρονται στο κεντρικό εργαστήριο για ανάλυση. Εκεί χρησιμοποιείται η αρχή της φωτομετρίας, δηλαδή το ποσό του SO 2 που συλλέγεται είναι ανάλογο του ποσού του φωτός που απορροφάται από το διάλυμα στο οποίο κατακρατήθηκε το SO 2. Οπτική απορρόφηση στα 548nm είναι γραμμικά ανάλογη της συγκέντρωσης του διοξειδίου του θείου. Οι μέθοδοι συνεχούς ανάλυσης συνδυάζουν τη συλλογή δειγμάτων και τη μέτρησή τους σε μια αυτοματοποιημένη διαδικασία. Τέτοιες μέθοδοι συμπεριλαμβάνουν τεχνικές μέτρησης αγωγιμότητας, φωτομετρία, κουλομετρία ή και μέτρηση της έντασης του ρεύματος για τον προσδιορισμό του SO 2 το οποίο συλλέγεται σε έναν υγρό φορέα. Ένας συνηθισμένος τύπος αναλυτή για τη μέτρηση του διοξειδίου του θείου βασίζεται στην αρχή του φθορισμού από υπεριώδη ακτινοβολία. Όταν το δείγμα μας ακτινοβοληθεί με υπεριώδεις ακτίνες (220nm) τότε τα μόρια του SO 2 εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκη κύματος διαφορετικά από την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η μέτρηση της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (φθορισμός) οδηγεί στη μέτρηση της συγκέντρωσης του SO 2 στο δείγμα Μέτρηση των υδρογονανθράκων Η ανάλυση των υδρογονανθράκων στην ατμόσφαιρα συμπεριλαμβάνει μια διαδικασία τριών βημάτων : τη συλλογή, το διαχωρισμό και τον ποσοτικό προσδιορισμό. Στη συλλογή μας ενδιαφέρει να έχουμε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα αέρα. Ο διαχωρισμός γίνεται με τη μέθοδο της αέριας χρωματογραφίας όπου για την ανάλυση των υδρογονανθράκων χρησιμοποιείται ένας ανιχνευτής φλόγας ιονισμού, ο οποίος προσδιορίζει ποσοτικά τα συστατικά του δείγματος. Ο ανιχνευτής αποτελείται από μια φλόγα υδρογόνου, μέσω της οποίας οι υδρογονάνθρακες καίγονται και σχηματίζουν φορτισμένα άτομα άνθρακα. Επίσης, ένα ηλεκτρόμετρο δημιουργεί ένα συνεχές σήμα, το οποίο είναι ανάλογο του αριθμό των ατόμων άνθρακα στη φλόγα. Τα συστατικά που διαχωρίστηκαν συγκρίνονται με αυτά ενός πρότυπου δείγματος αναφοράς, συγκεκριμένης σύστασης που διαχωρίστηκαν υπό τις ίδιες συνθήκες και στον ίδιο χρωματογράφο. Η μέθοδος της αέριας χρωματογραφίας δεν είναι μια μέθοδος συνεχούς ανάλυσης αλλά μια μέθοδος ανάλυσης δειγμάτων με περιοδικό τρόπο. Το σύστημα της αέριας χρωματογραφίας χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό 27

28 ουσιών που μπορούν να εξαερωθούν χωρίς να διασπαστούν. Η διαδικασία διαχωρισμού είναι ανάλογη της κλασματικής απόσταξης. Τα στάδια και η αρχή λειτουργίας του χρωματογράφου φαίνονται παρακάτω : Σχήμα 2.13: Αρχή λειτουργίας χρωματογράφου Μέτρηση του μολύβδου Η μέτρηση του μολύβδου γίνεται με τη μέθοδο της ατομικής απορρόφησης. Η αρχή της μεθόδου περιλαμβάνει τη μέτρηση της απορροφημένης ακτινοβολίας από άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση του στοιχείου που εξετάζουμε. Η διάταξη της μεθόδου περιλαμβάνει μια πηγή ακτινοβολίας που αποτελείται συνήθως από μια κυλινδρική καθοδική λυχνία, ένα κελί ατομοποίησης του δείγματος και έναν ανιχνευτή μονοχρωμάτορα. Τα εσωτερικό του κυλίνδρου αποτελείται από το στοιχείο το οποίο θέλουμε να ανιχνεύσουμε. Εφαρμόζοντας τάση στη λυχνία ιονίζουμε το αέριο που υπάρχει στο εσωτερικό της. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη λυχνία είναι η ακτινοβολία που απαιτείται για να ιονίσει τα άτομα που παράγονται στον καυστήρα (ατομοποίηση). Επίσης η λυχνία εκπέμπει σε ορισμένη συχνότητα με την οποία είναι συνδεδεμένος ο ανιχνευτής ώστε να απορρίπτει τις ακτινοβολίες που δεν είναι στην ίδια συχνότητα και προέρχονται από το περιβάλλον. Στη συνέχεια, το δείγμα περνάει μέσω του εκνεφωτή στο θάλαμο καύσης μαζί με το καύσιμο και το οξειδωτικό μέσο. Τα ύψος του καυστήρα είναι κρίσιμο και ρυθμίζεται ανιχνεύοντας ταυτόχρονα την απορρόφηση. Δοκιμάζοντας ένα πρότυπο διάλυμα προσπαθούμε να πετύχουμε τη μέγιστη απορρόφηση. Τα κατιόντα του αερίου κατευθύνονται προς την κάθοδο της λυχνίας όπου συγκρούονται με τα άτομα του προς ανίχνευση στοιχείου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα άτομα από την κάθοδο να απομακρύνονται ιονισμένα και να εκπέμπουν ακτινοβολία, η οποία είναι χαρακτηριστική για το στοιχείο που ανιχνεύουμε. 28

29 Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου φαίνεται σχηματικά παρακάτω: Σχήμα 2.14 : Αρχή λειτουργίας της μεθόδου της ατομικής απορρόφησης Μέτρηση αιωρούμενων σωματιδίων Η κύρια μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας β. Η ακτινοβολία β είναι σωματιδιακή ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από ραδιενεργούς πυρήνες ή μπορεί να παραχθεί με επιταχυντές σωματιδίων. Τα σωματίδια β είναι σωματίδια με μικρή μάζα και φέρουν μικρό σχετικά ηλεκτρικό φορτίο. Οι μετρήσεις στους σταθμούς γίνονται μια φορά τη μέρα. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, τα αιωρούμενα σωματίδια που περιλαμβάνονται στον αέρα, διαχωρίζονται με διήθηση, χρησιμοποιώντας μια μεμβράνη της οποίας η ικανότητα απορρόφησης ακτινοβολίας β έχει μετρηθεί από πριν. Η διαφορά στην ικανότητα μέτρησης της μεμβράνης πριν και μετά τη διήθηση καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της μάζας των σωματιδίων. Η μάζα των σωματιδίων που έχουν κατακρατηθεί, σχετίζεται με τη μέτρηση του όγκου του αέρα που πέρασε από τη μεμβράνη και έτσι επιτυγχάνεται ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων στο περιβάλλον. Μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι η μέθοδος του δονούμενου στοιχείου. Με τη μέθοδο αυτή μπορούμε να μετρήσουμε τόσο τη συγκέντρωση των ΡΜ10 στην ατμόσφαιρα όσο και τη συγκέντρωση των ΡΜ2,5. Ο αναλυτής περιλαμβάνει ένα στοιχείο κυλινδρικής διατομής, το οποίο δονείται στην ιδιοσυχνότητά του. Στο επάνω άνοιγμα του κυλινδρικού στοιχείου βρίσκεται προσαρμοσμένο ένα φίλτρο. Τα αιωρούμενα σωματίδια κατακρατούνται από το φίλτρο και μειώνουν τη συχνότητα ταλάντωσης του δονούμενου στοιχείου. Η μεταβολή της συχνότητας είναι ανάλογη της μάζας των αιωρούμενων σωματιδίων. 29

30 Τα δεδομένα από το σήμα της ταλάντωσης και από το σήμα του ροόμετρου (μετρά τη ροή του δειγματοληπτικού αέρα) πηγαίνουν σε μια βάση δεδομένων, όπου συσχετίζονται και από τη συσχέτισή τους υπολογίζουμε τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων. Εκτός από τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων μπορεί να θέλουμε να πάρουμε πληροφορίες σχετικά με την κατανομή του μεγέθους τους ή τη χημική τους σύσταση. Για να προσδιορίσουμε την κατανομή του μεγέθους, η πιο κοινή τεχνική είναι η μέθοδος των πολλαπλών κοσκίνων, σύμφωνα με την οποία το κάθε επίπεδο αφαιρεί σωματίδια με σταδιακά μικρότερη διάμετρο. Προκειμένου να γνωρίζουμε τη χημική σύσταση των σωματιδίων χρησιμοποιούμε μεθόδους στοιχειακής ανάλυσης. Για απευθείας στοιχειακή ανάλυση σε δείγματα σωματιδιακού τύπου χρησιμοποιούμε τις μεθόδους : φασματοσκοπία φθορισμού με ακτίνες Χ και ανάλυση βασισμένη στην ενεργοποίηση του δείγματος με βομβαρδισμό νετρονίων. Στη φασματοσκοπία φθορισμού με ακτίνες Χ, το δείγμα βομβαρδίζεται με ακτίνες Χ. Τα ηλεκτρόνια του εσωτερικού φλοιού διεγείρονται σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Καθώς τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση εκπέμπεται ενέργεια. Αυτά τα υψηλής ενέργειας φωτόνια ανιχνεύονται και αναλύονται για να δώσουν τον τύπο και την ποσότητα των στοιχείων στο δείγμα. Για να εφαρμοστεί αυτή η τεχνική θα πρέπει τα στοιχεία να έχουν ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 11. Τέλος, στην ανάλυση με βομβαρδισμό νετρονίων, τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με το δείγμα για να δημιουργήσουν διαφορετικά ισότοπα των στοιχείων. Όλες οι τεχνικές για τη μέτρηση των αερίων ρύπων που χρησιμοποιούνται, απαιτούν καλή βαθμονόμηση. Βαθμονόμηση ή διακρίβωση ενός οργάνου μέτρησης είναι το σύνολο των δραστηριοτήτων οι οποίες έχουν σα σκοπό τον εντοπισμό και την εκτίμηση των τιμών των σφαλμάτων του. Η βαθμονόμηση του εκάστοτε οργάνου είναι μια αναγκαία διαδικασία, σε τακτά χρονικά διαστήματα, εξαιτίας των μεταβολών των σταθερών του οργάνου με την πάροδο του χρόνου ή εξαιτίας της κακής χρησιμοποίησής του. Με βάση όλα τα παραπάνω, γίνεται άμεσα αντιληπτή η ανάγκη ταξινόμησης των διαφόρων ατμοσφαιρικών ρύπων προκειμένου να είναι πιο εύκολη η μελέτη, η μέτρηση και η αντιμετώπισή τους. Στα παρακάτω κεφάλαια, θα αναφερθούμε στους βασικούς αέριους ρύπους και στις επιπτώσεις τους στο οικοσύστημα και τον άνθρωπο. 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Ένας από τους βασικούς αέριους ρύπους που επηρεάζουν το κλίμα, τη θερμοκρασία και συμμετέχουν σε διάφορες φωτοχημικές διεργασίες είναι τα μικροσωματίδια ή αιωρούμενα σωματίδια. Στο παρόν κεφάλαιο, θα γίνει μια, όσο το δυνατόν πιο πλήρης αναφορά στα διάφορα χαρακτηριστικά τους, τις επιδράσεις τους στο κλίμα και τον άνθρωπο και τις διάφορους τρόπους μελέτης τους. 5.1 Τι είναι τα αιωρούμενα σωματίδια και ποια είναι τα κύρια χαρακτηριστικά τους Ως μικροσωματίδια ή σωματιδιακή ύλη στην ατμόσφαιρα, ορίζεται η στερεή ή υγρή ύλη που βρίσκεται σε διασπορά στον αέρα και αποτελείται από διακριτά σωματίδια, με μέγεθος μεγαλύτερο από τα μικρά μόρια (διαμέτρου περίπου 0,002μm) και μικρότερο από 100μm. Στις επιστήμες της ατμόσφαιρας, αυτά τα αιωρήματα των στερεών ή υγρών σωματιδίων στον ατμοσφαιρικό αέρα αποδίδονται με τον όρο αερολήματα (aerosols) ή αιωρούμενα σωματίδια (suspended particulate matter, SPM). Τα χαρακτηριστικά ενός πληθυσμού σωματιδίων είναι : ο αριθμός, η μάζα, η διάμετρος, η επιφάνεια, οι αεροδυναμικές και οπτικές ιδιότητες. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο : D D K a g Όπου : D a : αεροδυναμική διάμετρος D g : γεωμετρική διάμετρος K : συντελεστής σχήματος (για σφαίρα Κ=1) ρ ρ : πυκνότητα ουσίας σωματιδίου ρ ο : πυκνότητα αναφοράς (ρ ο = 1 gr/cm 3 ) Ο αριθμός των σωματιδίων μπορεί να μεταβληθεί από 10 3 περιοχές μέχρι 10 8 σε βιομηχανικές ζώνες (ανά cm 3 ). σε απομακρυσμένες Τα σωματίδια ή αερολύματα μπορεί να προέρχονται τόσο από φυσικές όσο και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες αλλά μπορεί να υπάρξει και συνέργια αερολυμάτων από φυσικές και από ανθρωπογενείς πηγές. 31

32 Φυσικές πηγές: ηφαίστεια, πυρκαγιές, θάλασσα, σκόνη με τον άνεμο (π.χ. Αφρική), γύρη των φυτών κτλ Ανθρωπογενείς πηγές : Διεργασίες καύσης (αιθάλη), Διεργασίες διαχείρισης υλικών (βιομηχανικές ή μεταλλευτικές δραστηριότητες), Μεταφορές, γεωργία Συνέργια αερολυμάτων από φυσικές και ανθρωπογενείς δραστηριότητες : αερολύματα καπνού, απορρόφηση τοξικών ουσιών από στερεά που αναπνέουν οι άνθρωποι. Βασικό μέγεθος για την περιγραφή των σωματιδίων είναι η κατανομή (αριθμός Ν σωματιδίων) σαν συνάρτηση της διαμέτρου f(διάμετρος). Για να τη μετρήσουμε χρησιμοποιούμε ειδικούς δειγματολήπτες, τους impactors. 5.2 Κατηγορίες ταξινόμησης σωματιδίων Σημαντική επίδραση στην υγεία έχουν τα σωματίδια διαμέτρου D10μm. Εκτός από τον αριθμό αυτών των σωματιδίων είναι σημαντική και η γνώση άλλων μεγεθών τους, όπως : μάζα, επιφάνεια, όγκος Ταξινόμηση σωματιδίων με βάση το μέγεθός τους (διάμετρος) Μια βασική κατηγορία ταξινόμησης των σωματιδίων είναι με βάση το μέγεθός τους. Τότε έχουμε τις εξής κατηγορίες : Τα σωματίδια με D>2,5μm τα οποία ονομάζονται coarse (χονδρά) σωματίδια. Προέρχονται κυρίως από μηχανικές διεργασίες και λόγω μεγέθους καθιζάνουν ή ξεπλένονται από τη βροχή. Χημικά η σύστασή τους αντανακλά την πηγή προέλευσής τους. Τα σωματίδια διαμέτρου D<2,5μm τα οποία ονομάζονται fine (ψιλά, λεπτά) σωματίδια. Τα λεπτά σωματίδια χωρίζονται με τη σειρά του σε δύο υποκατηγορίες : τα σωματίδια πυρηνοποίησης (accumulation) και τα υπέρλεπτα σωματίδια (ultra fine). Τα ultra fine σωματίδια χωρίζονται: σε σωματίδια περιοχής συσσώρευσης (0,1<D<1) και τους πυρήνες Aitken (0,1>D). Τα σωματίδια της τάξης συσσώρευσης μπορούν να προκύψουν από συμπύκνωση ατμών με χαμηλή τάση ατμών ή από συσσωμάτωση σωματιδίων Aitken μεταξύ τους ή με σωματίδια της τάξης συσσώρευσης. Ο δεύτερος μηχανισμός είναι πιο σημαντικός από τον πρώτο. Χημικά αποτελούνται από ανόργανα ιόντα και οργανικά στοιχεία. Έχουν μικρούς ρυθμούς απόθεσης, με αποτέλεσμα να μπορούν να μεταφερθούν σε αποστάσεις πολλών χιλιομέτρων από την πηγή εκπομπής τους και να παραμείνουν στην ατμόσφαιρα για μεγάλο αριθμό ημερών. Τα σωματίδια στην 32

33 περιοχή συσσωμάτωσης αποτελούν το 5% του αριθμού των σωματιδίων αλλά το 50% της μάζας τους. Τα σωματίδια της τάξης του Aitken D0,08μm προέρχονται από μετατροπή αερίου σε σωματίδιο και από καύσεις όπου ζεστοί υπερσυμπυκνωμένοι ατμοί συμπυκνώνονται. Είτε δρουν σαν πυρήνες για τη συμπύκνωση των αερίων με χαμηλή τάση ατμών είτε μεγαλώνουν λόγω συσσωμάτωσης. Αποτελούν το 95% ή και παραπάνω του συνολικού αριθμού σωματιδίων αλλά μόνο ένα μικρό ποσοστό της μάζας τους. Οι καύσεις παράγουν σωματίδια τόσο της περιοχής Aitken όσο και της περιοχής συσσώρευσης. Το ποσοστό εξαρτάται από τη φύση της διαδικασίας καύσης και την αραίωση με τον περιβάλλοντα χώρο. Πίνακας 5.1: Kατηγορίες αιωρούμενων σωματιδίων με βάση τη διάμετρό τους Ανάλογα με το μέγεθός τους τα σωματίδια έχουν και διαφορετικούς χρόνους παραμονής στην ατμόσφαιρα, κάτι το οποίο παίζει σημαντικό ρόλο στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα επηρεάζεται από την ταχύτητα πτώσης αυτών. Η ταχύτητα πτώσης περιγράφεται από το νόμο του Stokes, σύμφωνα με τον οποίο, η οριακή ταχύτητα πτώσης των σωματιδίων στον αέρα είναι ανάλογη του τετραγώνου της ακτίνας τους. Στην πραγματικότητα, ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων δεν εξαρτάται μόνο από το μέγεθός τους, αλλά και από άλλες παραμέτρους όπως η συγκέντρωση των υδρατμών αλλά και άλλων συστατικών του ατμοσφαιρικού αέρα, τα οποία είναι χημικά δραστικά και επηρεάζουν την εξέλιξη της σύστασης και του μεγέθους των ατμοσφαιρικών σωματιδίων. Τέλος, ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, ή διαφορετικά ο ρυθμός καθίζησής τους, εξαρτάται και από τον τρόπο απομάκρυνσής τους από την ατμόσφαιρα, καθώς αυτή γίνεται είτε μέσω ξηρής είτε μέσω υγρής καθίζησης. 33

34 Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι χρόνοι παραμονής των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα με βάση το μέγεθός τους. Σχήμα 5.2 : Χρόνοι παραμονής των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα συναρτήσει του μεγέθους Ταξινόμηση με βάση το μηχανισμό σχηματισμού τους Με βάση το μηχανισμό σχηματισμού τους, τα σωματίδια διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα πρωτογενή και τα δευτερογενή. Πρωτογενή σωματίδια είναι αυτά που εκπέμπονται κατευθείαν στην ατμόσφαιρα (π.χ. καπνιά από καύσεις, σκόνη από το έδαφος, θαλάσσια σωματίδια ) ενώ δευτερογενή ονομάζονται τα σωματίδια που σχηματίζονται μέσω χημικών αντιδράσεων (φωτοχημική ρύπανση). Στους μηχανισμούς σχηματισμού των αιωρούμενων σωματιδίων περιλαμβάνεται μια σειρά από διεργασίες. Τα ultra fine σωματίδια σχηματίζονται μέσω της πυρηνοποίησης, που υφίστανται οι πρόδρομες ενώσεις τους. Η πυρηνοποίηση είναι αποτέλεσμα της συγκέντρωσης των ενώσεων αυτών στην ατμόσφαιρα προκειμένου να δημιουργηθεί ένας πυρήνας (συμβάλει στη δημιουργία σωματιδίων στην ατμόσφαιρα και ορίζεται ως η μεταβολή της ύλης από μια φάση σε μια άλλη). Στη συνέχεια, ακολουθεί μια σειρά διεργασιών έτσι ώστε να σχηματισθούν τα μεγαλύτερα σωματίδια. Οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα είναι η συμπύκνωση αερίων, η συσσωμάτωση λεπτόκοκκων σωματιδίων και η συσσώρευση πολλών σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Η συσσώρευση συμβάλει στην αύξηση του μεγέθους των σωματιδίων, η συμπύκνωση είναι η διαδικασία κατά την οποία ενώσεις που βρίσκονται στην αέρια φάση μπορούν να μεταβούν στην υγρή και συσσωμάτωση 34

35 είναι η διαδικασία κατά την οποία τα αιωρούμενα σωματίδια λόγω της κίνησής τους συγκρούονται μεταξύ τους κα σχηματίζουν σωματίδια μεγαλύτερης διαμέτρου. Στα θαλάσσια σωματίδια οι μηχανισμοί σχηματισμού τους διαφέρουν. Πιο συγκεκριμένα, ο αέρας διαλύεται και οι σχηματιζόμενες φυσαλίδες ανεβαίνουν. Οι φυσαλίδες αυτές φτάνοντας στην επιφάνεια σπάνε, δημιουργώντας σταγονίδια που απελευθερώνονται στον αέρα. Τα film drops δημιουργούνται από το σπάσιμο του film του νερού, ενώ οι jet drops δημιουργούνται από το νερό που προέρχεται από το βάθος της φυσαλίδας Ταξινόμηση με βάση τα συστατικά τους Η χημική σύσταση των αιωρούμενων σωματιδίων ποικίλει ανάλογα με την πηγή προέλευσής τους, ενώ παρουσιάζει μεγάλη ανομοιογένεια, περιλαμβάνοντας χημικές ενώσεις πολλών διαφορετικών ομάδων. Αποτελούνται από μια ανόργανη και μια οργανική φάση. Ανάλογα με τα συστατικά τους χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα ανόργανα και τα οργανικά αιωρούμενα σωματίδια. Τα ανόργανα σωματίδια είναι τα σωματίδια των οποίων τα βασικά συστατικά τους είναι ανόργανα. Μπορεί να είναι λεπτά σωματίδια, που συνιστώνται κυρίως από ιόντα(no 3 -, SO 4-2, NH 4 +, H + ), υδρατμούς, μέταλλα (Pb, Cd, V, Ni, Cu, Zn, Mn, Fe), ενώ τα ανόργανα στοιχεία των αδρών σωματιδίων είναι οξείδια στοιχείων εδαφικής προέλευσης (AL, Fe, Si) καθώς και άλατα (NaCl, CaCO 3 ). Εδώ κατατάσσονται και οι ιπτάμενες τέφρες που προέρχονται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Τα οργανικά σωματίδια περιέχουν στοιχειακό άνθρακα, ή αλλιώς μαύρο άνθρακα. Αποτελούνται από ένα πολύπλοκο μίγμα οργανικών ενώσεων περιλαμβάνοντας πολλές ομάδες όπως τα n- αλκάνια, n-αλκανικό οξύ, αλκοόλες, σάκχαρα, αρωματικές ενώσεις, οξέα, πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. 5.3 Επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων Τα αιωρούμενα σωματίδια, όπως έχει αναφερθεί και πιο πάνω, έχουν επιπτώσεις τόσο στην υγεία των ανθρώπων όσο και στο περιβάλλον. Οι επιπτώσεις στην υγεία αφορούν κυρίως το αναπνευστικό σύστημα ενώ οι επιπτώσεις στο περιβάλλον γίνονται αντιληπτές μέσω της διαμόρφωσης του κλίματος Επιδράσεις στην υγεία του ανθρώπου Μέσα από διάφορες επιδημιολογικές και κλινικές μελέτες των τελευταίων ετών, παρουσιάζεται η επιβλαβής επίδραση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην ανθρώπινη υγεία και ιδιαίτερα σε ασθένειες που σχετίζονται με το αναπνευστικό και 35

36 καρδιαγγειακό σύστημα. Τα αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζουν άμεσα κυρίως το αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου, προκαλώντας ασθένειες των πνευμόνων όπως είναι το άσθμα, η χρόνια βρογχίτιδα, οι αναπνευστικές δυσλειτουργίες, ο καρκίνος των πνευμόνων κτλ, ενώ έμμεσα επηρεάζουν και άλλα όργανα του ανθρωπίνου σώματος, προκαλώντας κυρίως καρδιαγγειακά προβλήματα και κατ επέκταση πρόωρο θάνατο. Διάφορα επεισόδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχουν δείξει ότι υψηλά επίπεδα ρύπων σε συνδιασμό με αντίξοες καιρικές συνθήκες, μπορούν να προκαλέσουν το θάνατο χιλιάδων ανθρώπων. Η ικανότητα των αιωρούμενων σωματιδίων να προστατεύεται από τη σωματιδιακή ύλη εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος των σωματιδίων. Τα αιωρούμενα σωματίδια ανάλογα με το μέγεθός τους, εισέρχονται μέχρι τη ρινική, την τραχειοβρογχική κοιλότητα, κάποιους πρώτους βρόγχους του πνεύμονα, ακόμα και μέχρι τις πνευμονικές κυψελίδες. Τα μεγαλύτερα σωματίδια (ΡΜ10) κατακάθονται στη γη σχετικά γρήγορα εξαιτίας του βάρους τους. Μικρότερα σωματίδια (ΡΜ2,5) παραμένουν στην ατμόσφαιρα για μεγάλα χρονικά διαστήματα πριν κατακαθίσουν στο έδαφος ενώ τα πολύ μικρά σωματίδια με διάμετρο μέχρι 0,1μm μπορούν να αιωρούνται διαρκώς μέχρι να προσροφηθούν ή να συσσωματωθούν σε μεγαλύτερα μεγέθη. Τα μεγαλύτερα σωματίδια που εισέρχονται στο αναπνευστικό σύστημα παγιδεύονται με τη βοήθεια των τριχών και του βλεννογόνου της μύτης και στη συνέχεια μπορούν να αποβληθούν σχετικά εύκολα με το βήχα ή το φτέρνισμα. Σωματίδια μικρότερα του 1μm εισέρχονται ευκολότερα στον οργανισμό και είναι σχεδόν αδύνατο να αποβληθούν από αυτόν. Τα σωματίδια αυτά μπορούν να προκαλέσουν τοπικό ερεθισμό του πνεύμονα με δυσμενείς επιπτώσεις για αυτόν και την καρδιά. Τα σωματίδια που είναι μικρότερα των 2,5μm εισπνέονται και φθάνουν στους πνεύμονες οπότε είναι πιο επικίνδυνα για την υγεία από μεγαλύτερα σωματίδια. Σωματίδια αυτού του μεγέθους περιέχουν στοιχεία ή χημικές ενώσεις, όπως βαρέα μέταλλα με αυξημένη τοξικότητα και πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, οι οποίοι θεωρούνται καρκινογόνοι κ.α. Υψηλές συγκεντρώσεις σωματιδίων στην ατμόσφαιρα σε συνδιασμό με υψηλές συγκεντρώσεις θειικών αερολυμάτων, συνδέονται άμεσα με την αύξηση του αριθμού των εισαγόμενων ατόμων στα νοσοκομεία από λοιμώξεις του αναπνευστικού, βρογχίτιδες, άσθμα κτλ. Υπάρχει, επομένως, συνεργός δράση των θειικών ιόντων και των αιωρούμενων σωματιδίων στις βλάβες που προκαλούνται στο αναπνευστικό σύστημα. Κατά την ταξινόμηση των αιωρούμενων σωματιδίων για τις αστικές περιοχές, διαμέτρου 0.1 εώς 2.5μm, διακρίνουμε τρεις βασικές κατηγορίες : Τα κρυσταλλικά σωματίδια που περιέχουν στοιχεία πυριτίου (Si) Τα σωματίδια κινητών πηγών που περιέχουν στοιχεία μολύβδου (Pb) Τα σωματίδια άνθρακα που έχουν το σελήνιο σα δείκτη αναγνώρισης. 36

37 Μέσα από μια σειρά ερευνών έχει αποδειχθεί ότι τα σωματίδια που προέρχονται από διεργασία καύσεων (σωματίδια άνθρακα) είναι πιο επικίνδυνα από τα κρυσταλλικά σωματίδια. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται το βάθος διείσδυσης των αιωρούμενων σωματιδίων με βάση το μέγεθός τους. Σχήμα 5.3 : Βάθος διείσδυσης των αιωρούμενων σωματιδίων με βάση το μέγεθός τους Με βάση τα κριτήρια ποιότητας του αέρα που έχουν θεσπιστεί στην Αμερική, υπάρχουν συγκεκριμένα συμπτώματα από την έκθεση του ανθρώπου στα αιωρούμενα σωματίδια, τα οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα : Πίνακας 5.2 : Ανθρώπινα συμπτώματα από την έκθεση στα αιωρούμενα σωματίδια 37

38 5.3.2 Επιδράσεις στο περιβάλλον Ο ρόλος των αερολυμάτων στην κατανομή της ύλης είναι εξαιρετικά σημαντικός, καθώς ο ατμοσφαιρικός αέρας μεταφέρει σημαντικά ποσά ύλης σε αποστάσεις πολύ μεγαλύτερες από αυτές που θα μπορούσε να διανύσει η ίδια η ύλη κινούμενη μέσω των νερών και των εδαφών. Οι μεγαλύτερες ποσότητες σωματιδίων στην ατμόσφαιρα προέρχονται από την αιολική διάβρωση των εδαφών, με κυριότερες πηγές τις ερημικές περιοχές του πλανήτη μας. Η απομάκρυνση των σωματιδίων από τον αέρα γίνεται μέσω υγρής και ξηρής κατακρήμνισης, με αποτέλεσμα την τροφοδοσία υδάτινων αλλά και χερσαίων οικοσυστημάτων με τα συστατικά των αερολυμάτων. Τα μεγαλύτερα από τα σωματίδια κατακρημνίζονται κοντά στον τόπο παραγωγής τους ενώ τα μικρότερα σε μέγεθος σωματίδια μπορούν να μεταφερθούν ακόμα και σε αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων από τις πηγές προέλευσής τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η έρημος Σαχάρα η οποία συμβάλλει σημαντικά στην θαλάσσια ιζηματογένεση της Μεσογείου ενώ σωματίδια που προέρχονται από την έρημα Σαχάρα μπορούν να μεταφερθούν ακόμα και δάση του Αμαζονίου. Τα αν η μεταφορά των σωματιδίων θα έχει θετικές ή αρνητικές επιπτώσεις στα διαφόρων τύπων οικοσυστήματα εξαρτάται από τη χημική σύσταση των αερολυμάτων. Εκτός από τη μεταφορά των αιωρούμενων σωματιδίων μέσω του ατμοσφαιρικού αέρα και τις επιδράσεις τους στα οικοσυστήματα, τα αερολύματα μπορούν να επηρεάσουν το κλίμα στην τροπόσφαιρα, το κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας της Γης, με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ορισμένα από τα αιωρούμενα σωματίδια ανακλούν ένα μέρος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας το οποίο επιστρέφει στο διάστημα από το σύστημα Γη Ατμόσφαιρα. Αυτό σημαίνει ότι, όταν υπάρχουν στην ατμόσφαιρα μεγάλες συγκεντρώσεις τέτοιων σωματιδίων, φτάνει λιγότερη ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης, με αποτέλεσμα να έχουμε μείωση της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα. Αυτός είναι ο άμεσος τρόπος που επηρεάζουν τα αιωρούμενα σωματίδια το κλίμα της Γης και λαμβάνει χώρα κυρίως κατά τη διάρκεια της μέρας και κατά τους θερινούς μήνες. Τα αερολύματα είναι δυνατόν να επηρεάσουν και με έμμεσο τρόπο το κλίμα της Γης. Τα αιωρούμενα σωματίδια λειτουργούν σαν πυρήνες συμπύκνωσης για το σχηματισμό νεφών. Η αυξημένη συγκέντρωση πυρήνων συμπύκνωσης υποδηλώνει αυξημένο αριθμό σταγονιδίων στα νέφη. Η μείωση επιπλέον του μεγέθους των σωματιδίων έχει ως αποτέλεσμα την καθυστέρηση εκδήλωσης βροχόπτωσης και την παράταση επομένως του χρόνου ζωής των νεφών στην ατμόσφαιρα. Τα νέφη ανακλούν μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας. Εκτός από την άμεση και έμμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα, θα πρέπει να αναφέρουμε πως τα διαφόρων ειδών αερολύματα μπορούν να 38

39 προκαλέσουν και θέρμανση της ατμόσφαιρας, λόγω απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας. Ο κύριος εκπρόσωπος αυτού του είδους είναι ο στοιχειακός άνθρακας. Είναι δύσκολο να μπορέσουμε να προβλέψουμε τις επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα, καθώς μπορούν να προκαλέσουν ταυτόχρονα ψύξη και θέρμανση της ατμόσφαιρας. Το ποιο από τα δύο φαινόμενα θα επικρατήσει εξαρτάται από τη συμμετοχή του στοιχειακού άνθρακα στο συνολικό άνθρακα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Ένας άλλος ατμοσφαιρικός ρύπος, ο οποίος είναι άμεσα συνδεδεμένος με τις μεγαλουπόλεις και ασθένειες που αφορούν καρδιοαναπνευστικές παθήσεις είναι το μονοξείδιο του άνθρακα. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα αέρια άοσμο, άγευστο, άχρωμο και πολύ τοξικό. Τα μόρια του αποτελούνται από ένα άτομο άνθρακα και ένα άτομο οξυγόνου το καθένα, και σχηματίζουν δύο ομοιοπολικούς και έναν ημιπολικό δεσμό μεταξύ τους. Εικόνα 6.1 : O ηλεκτρονικός και στερεοχημικός τύπος του μονοξειδίου του άνθρακα. 6.1 Πηγές μονοξειδίου του άνθρακα Το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί να προέρχεται από φυσικές πηγές καθώς εκλύεται σε μικρές ποσότητες από τα ηφαίστεια καθώς και από τις φυσικές και προερχόμενες από τον άνθρωπο πυρκαγιές και καύσεις διαφόρων ειδών υπολειμμάτων. Επίσης το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένας από τους ρύπους που προκαλούν προβλήματα στις μεγαλουπόλεις καθώς συναντάται σε μεγάλες συγκεντρώσεις λόγω των εξατμίσεων των αυτοκινήτων (σύμφωνα με έρευνες από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων παράγεται το 70-80% το μονοξειδίου του άνθρακα) 39

40 αλλά και γενικότερα εξαιτίας των εξατμίσεων μηχανών όπου συντελείται ατελής καύση. Οι συγκεντρώσεις του είναι μεγαλύτερες κατά τη διάρκεια του χειμώνα λόγω των μεγάλων ποσοτήτων καυσίμων που καίγονται για τη θέρμανση των κτιρίων. Τέλος, η μεγαλύτερη έκθεση του ανθρώπου στο μονοξείδιο του άνθρακα προέρχεται από τον καπνό του τσιγάρου. Το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί να επιδράσει έμμεσα στην ατμόσφαιρα, αφού μέσω των χημικών αντιδράσεων με άλλα συστατικά του ατμοσφαιρικού αέρα συμβάλει στην αύξηση των συγκεντρώσεων του όζοντος και του μεθανίου που ανήκουν στην κατηγορία των θερμοκηπικών αερίων. Εκτός αυτού, ως παραπροϊόν της καύσης ανθρακούχων καυσίμων, παίζει σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη χημική βιομηχανία και μόλυνση της γήινης ατμόσφαιρας. Υψηλές συγκεντρώσεις του μπορούν να βρεθούν, επίσης, και σε κλειστά μέρη, όπως χώροι στάθμευσης, υπόγειες διαβάσεις ή ακόμα και κατά μήκος των δρόμων σε περιόδους κυκλοφοριακής αιχμής. 6.2 Επιπτώσεις μονοξειδίου του άνθρακα Το μονοξείδιο του άνθρακα υποκαθιστά το οξυγόνο στην αιμοσφαιρίνη του αίματος και εμποδίζει την απελευθέρωση οξυγόνου από την αιμοσφαιρίνη στους περιφερειακούς ιστούς. Όσο περισσότερο μονοξείδιο του άνθρακα υπάρχει στον αέρα που εισπνέουμε τόσο λιγότερο οξυγόνο φτάνει στους ιστούς, προκαλώντας συμπτώματα έλλειψης οξυγόνου. Τα συμπτώματα αυτά μπορεί να είναι ελαφριές ζαλάδες και μείωση της κριτικής ικανότητας, πονοκέφαλοι ή νωθρότητα, λιποθυμίες ή ακόμη και θάνατος. Θα πρέπει να αναφερθεί πως τα συμπτώματα αυτά διαφέρουν πολύ από άτομο σε άτομο καθώς πως επηρεάζονται και από το χρόνο έκθεσης του ατόμου στο CO. Τα όργανα που επηρεάζονται περισσότερο είναι ο εγκέφαλος, η καρδιά και οι σκελετικοί μύες. Τα συμπτώματα της δηλητηρίασης λόγω της έκθεσης σε μονοξείδιο του άνθρακα μπορούν να παρατηρηθούν σε οδηγούς εν ώρα κυκλοφοριακής συμφόρησης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ Τα οξείδια του αζώτου είναι ένα σύνολο αέριων ρύπων που παράγονται κατά την ανάφλεξη καύσιμης ύλης καθώς και σε φωτοχημικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα. Τα δύο κύρια οξείδια του αζώτου είναι το μονοξείδιο (NO) και το διοξείδιο του αζώτου (NO 2 ). Είναι κυρίως αέριοι ρύποι από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων αλλά προέρχονται και από διάφορες καύσεις σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου σε παγκόσμια κλίμακα υπολογίζονται σε τόνους. Είναι ένας από τους παράγοντες που συνδράμουν στη δημιουργία της όξινης βροχής, ενώ μαζί με το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα συμβάλλουν 40

41 στην έξαρση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Προσβάλλουν άμεσα την υγεία και υποβαθμίζουν το περιβάλλον ενώ μέσω διαφόρων διεργασιών και μέσω της συνεργούς δράσης άλλων ρυπαντών βοηθούν στη δημιουργία του τροποσφαιρικού όζοντος προκαλώντας περεταίρω προβλήματα. 7.1 Ιδιότητες και πηγές των οξειδίων του αζώτου Το μονοξείδιο του αζώτου είναι ένα άχρωμο αέριο. Είναι πρόδρομος του τροποσφαιρικού όζοντος και του νιτρικού οξέος. Το διοξείδιο του αζώτου είναι ένα κιτρινωπό καφέ αέριο που δίνει στην αιθαλομίχλη το χαρακτηριστικό καφέ της χρώμα. Ανήκει στην κατηγορία των οξειδωτικών (απομακρύνει ηλεκτρόνια από τα μόρια) και αυτό το καθιστά βιολογικά επιβλαβές ενώ δρα και ως καταλύτης για τη δημιουργία τροποσφαιρικού όζοντος από πτητικές οργανικές ενώσεις παρουσία του φωτός. Το διοξείδιο του αζώτου αντιδρά με υδρατμούς στην ατμόσφαιρα και με άλλες ενώσεις παράγοντας νιτρικό οξύ και όξινα σωματίδια. Οι κυριότερες πηγές οξειδίων του αζώτου είναι οι καύσεις ορυκτών καυσίμων σε εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και εργοστάσια καθώς και τα μεταφορικά μέσα. Το μονοξείδιο του αζώτου παράγεται κατά τη διαδικασία της απονιτροποίησης ενώ παράγεται και από τις καύσεις ορυκτών καυσίμων και βιομαζών και τις φωτοχημικές αντιδράσεις. Η κύρια πηγή διοξειδίου του αζώτου είναι η οξείδωση του μονοξειδίου του αζώτου ενώ πηγές διοξειδίου του αζώτου εσωτερικών χώρων αποτελούν οι συσκευές που λειτουργούν με αέριο, οι θερμάστρες κηροζίνης, οι ξυλόσομπες και το τσιγάρο. 7.2 Επιπτώσεις στην υγεία και το περιβάλλον Το διοξείδιο του αζώτου είναι το πιο τοξικό οξείδιο του αζώτου, ερεθίζει τους πνεύμονες προκαλώντας βλάβη στα ευαίσθητα κύτταρα που τους περιβάλλουν. Σε υψηλές συγκεντρώσεις προκαλεί αναπνευστικά προβλήματα ιδιαίτερα σε άτομα που υποφέρουν από άσθμα και σε παιδιά. Μελέτες σε ζώα έχουν δείξει πως η μακροχρόνια έκθεση σε χαμηλές συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει αλλαγή στη δομή των πνευμόνων αλλά και στη λειτουργία τους προκαλώντας εμφύσημα και χρόνια βρογχίτιδα. Το μεγαλύτερο ποσοστό των λοιμώξεων που παρουσιάζονται λόγω του διοξειδίου του αζώτου οφείλονται τόσο στη μειωμένη ικανότητα των κυττάρων που έχουν υποστεί βλάβη να καθαρίσουν τα εισπνεόμενα βακτηρίδια από ιούς, όσο και σε βλάβη στα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος που καταπολεμούν τη λοίμωξη. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται μερικές από τις επιπτώσεις του διοξειδίου του αζώτου καθώς και οι συγκεντρώσεις στις οποίες εμφανίζονται. 41

42 Πίνακας 7.1: Επιπτώσεις στην υγεία για διαφορετικά επίπεδα διοξειδίου του αζώτου Τα οξείδια του αζώτου εκτός από την υγεία του ανθρώπου έχουν επιβλαβείς συνέπειες και στο περιβάλλον. Οι χειρότερες από αυτές φαίνεται να οφείλονται στο νιτρικό οξύ, το τελευταίο προϊόν της χημικής αντίδρασης του διοξειδίου του αζώτου στον αέρα. Τα οξείδια του αζώτου συμβάλλουν στο φαινόμενο της όξινης βροχής με αποτέλεσμα την οξίνηση των υδάτων. Επίσης με τη συνεργό δράση του όζοντος, της ζέστης και της ανομβρίας, η όξινη βροχή οδηγεί στη μείωση των δασικών εκτάσεων σε διάφορες περιοχές. Τέλος, τα αζωτούχα λιπάσματα και η ατμοσφαιρική εναπόθεση διαταράσσουν ευαίσθητα οικοσυστήματα όπως είναι οι εκβολές των ποταμών με δυσμενείς συνέπειες για τους οργανισμούς που βρίσκονται εκεί. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ Το διοξείδιο του θείου και μερικά από τα προϊόντα των χημικών του αντιδράσεων είναι υπεύθυνα για μερικά από τα χειρότερα επεισόδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης του αιώνα μας, κατά τα οποία έχασαν τη ζωή τους χιλιάδες άνθρωποι. Το διοξείδιο του θείου σε θέματα ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι κυρίως γνωστό για τη δημιουργία της αιθαλομίχλης, που είναι ένα μείγμα διοξειδίου του θείου και αιωρούμενων σωματιδίων προσκολλημένων σε υδάτινες σταγόνες. Το διοξείδιο του θείου είναι ένα αέριο άχρωμο και άοσμο σε χαμηλές συγκεντρώσεις αλλά με έντονη ερεθιστική μυρωδιά σε υψηλές συγκεντρώσεις. Στην ατμόσφαιρα αντιδρά εύκολα με οξειδωτικά ή σωματίδια. Τα όξινα σωματίδια του θείου είναι τα κύρια συστατικά της όξινης βροχής. 42

43 8.1 Πηγές και επίπεδα συγκέντρωσης διοξειδίου του θείου Οι κυριότερες πηγές διοξειδίου του θείου οφείλονται στις καύσεις ορυκτών καυσίμων και στην επεξεργασία ορυκτών μεταλλευμάτων. Άλλες πηγές περιλαμβάνουν την οξείδωση των διμεθυλοσουλφιδίων, τις ηφαιστειακές εκπομπές και τις εκπομπές της χημικής βιομηχανίας. Η μεγαλύτερη έκθεση στο διοξείδιο του θείου γίνεται στις περιοχές που υπάρχουν εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που καίνε λιγνίτη ή μαζούτ και στα εργοστάσια επεξεργασίας μεταλλευμάτων εκτός από σίδηρο. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση από την καπνοδόχο τόσο μεγαλύτερος είναι και ο μετασχηματισμός SO 2 σε επικίνδυνες μορφές θειϊκών αλάτων. Ο θύσανος της ρύπανσης τείνει να διασκορπίζεται όσο μεγαλώνει η απόσταση από την πηγή και επομένως η σημαντική απόσταση για την ανθρώπινη έκθεση αντιστοιχεί περίπου μέχρι τα 25Km από την πηγή ή το εργοστάσιο. Οι εκπομπές του SO 2 έχουν μειωθεί τις τελευταίες δεκαετίες ως αποτέλεσμα της εγκατάστασης συστημάτων αποθείωσης στις εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και της μείωσης της περιεκτικότητας του θείου στα καύσιμα. 8.2 Επιπτώσεις στην υγεία και το περιβάλλον Η βραχυπρόθεσμη έκθεση στο διοξείδιο του θείου προκαλεί συστολή των αναπνευστικών αγγείων στους ασθματικούς αλλά και στις ευπαθείς κοινωνικές ομάδες, με αποτέλεσμα να υπάρχει αύξηση των ασθματικών επεισοδίων. Η χρόνια έκθεση στο διοξείδιο του θείου προκαλεί στένωση στην τραχεία, παρόμοια με τη χρόνια βρογχίτιδα. Παράλληλα, τα αιωρούμενα σωματίδια και το διοξείδιο του θείου αντιδρούν προς το σχηματισμό πιο επικίνδυνων όξινων θεϊικών σωματιδίων, τα οποία εισπνέονται βαθύτερα στους πνεύμονες και εγκαθίστανται εκεί. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι επιπτώσεις της έκθεσης στο SO 2 στην ανθρώπινη υγεία. Πίνακας 8.1: Επιπτώσεις στην υγεία για διάφορα επίπεδα διοξειδίου του θείου 43

44 Όσον αφορά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, προκαλεί αποχρωματισμό των φυτών και ζημιές στο φύλλωμά τους. Η μετατροπή του διοξειδίου του θείου σε θειικό οξύ και η εναπόθεσή του στο έδαφος μέσω της όξινης βροχής και των όξινων σωματιδίων είναι επίσης ένα πρόβλημα, το οποίο πρέπει να αντιμετωπιστεί. Οι αέριες μάζες μπορούν να μεταφέρουν τα όξινα σωματίδια αρκετά χιλιόμετρα μακριά από τις πηγές εκπομπής τους, με αποτέλεσμα να πλήγονται περιοχές που βρίσκονται μακριά από τις πηγές ρύπανσης. Η εναπόθεση των όξινων θεϊικών σωματιδίων στο έδαφος αλλά και στα υδρόβια οικοσυστήματα μπορεί να προκαλέσει σοβαρές μεταβολές στο ισοζύγιο του εδάφους,, να αλλάξει η σύσταση της ατμόσφαιρας, να μεταβληθεί τοπικά το κλίμα και να υπάρξουν αλλαγές στην ισορροπία της χλωρίδας και της πανίδας. Τέλος, το διοξείδιο του θείου είναι ο κύριος υπεύθυνος για τη διάβρωση του χάλυβα και άλλων μετάλλων, την υποβάθμιση του ψευδαργύρου και άλλων προστατευτικών επιστρωμάτων, τη φθορά οικοδομικών υλικών, καθώς επίσης και για την υποβάθμιση τους ποιότητας του χαρτιού, των δερμάτινων ειδών και των έργων και μνημείων ιστορικού ενδιαφέροντος. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: OZON Το 90% του ολικού όζοντος της ατμόσφαιρας της Γης το συναντάμε στη στρατόσφαιρα και το υπόλοιπο 10% στην τροπόσφαιρα. Σήμερα γνωρίζουμε ότι η προέλευση του τροποσφαιρικού όζοντος είναι η φωτοχημική παραγωγή του από την παρουσία διάφορων πρωτογενών ρύπων και φωτός καθώς επίσης και η μεταφορά στρατοσφαιρικού όζοντος προς την τροπόσφαιρα. Ενώ το όζον στην περιοχή της στρατόσφαιρας δρα ως φίλτρο στο υπεριώδες και μας προστατεύει από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, στην τροπόσφαιρα γίνεται εξαιρετικά επιβλαβές και μπορεί να προκαλέσει ποικίλα προβλήματα στον άνθρωπο και το περιβάλλον, αν ξεπεραστούν κάποιες οριακές τιμές του. 9.1 Ιδιότητες του όζοντος και πηγές παραγωγής του Αρχικά, η επιστημονική κοινότητα θεωρούσε πως το όζον στην τροπόσφαιρα είναι ένα αδρανές αέριο και πως δεν αντιδρά με άλλα στοιχεία. Στη συνέχεια, όμως, τέθηκαν οι βάσεις της θεωρίας της φωτοχημικής παραγωγής του. Το όζον είναι το κύριο συστατικό της αιθαλομίχλης (ή φωτοχημικό νέφος) και δημιουργείται από μια πολύπλοκη σειρά χημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν πτητικούς υδρογονάνθρακες και οξείδια του αζώτου από βιομηχανικές πηγές και αυτοκίνητα υπό τη δράση του ηλιακού φωτός. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνει κατά τη διάρκεια της μέρας, η ηλιακή ενέργεια επιταχύνει αυτές τις χημικές αντιδράσεις με αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας του όζοντος που παράγεται. Η παραγωγή του 44

45 τροποσφαιρικού όζοντος και το φωτοχημικό νέφος είναι φαινόμενα που ευνοούνται κατά τη διάρκεια της ημέρας και των θερμών μηνών του έτους. Το όζον δεν εκπέμπεται πρωτογενώς από κάποια πηγή. Παράγεται στην ατμόσφαιρα από τη χημικά αντίδραση του μονοατομικού με το διατομικό οξυγόνο. (Μ είναι μια τρίτη ουσία που αφαιρεί την ενάργεια από την αντίδραση και σταθεροποιεί το O 3 ) Επίσης, το όζον παράγεται και δευτερογενώς κατά τη φωτοχημική αντίδραση πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) με το διοξείδιο του αζώτου. Το τροποσφαιρικό όζον είναι ένα παγκόσμιο πρόβλημα καθώς οι εκπομπές των οργανικών πτητικών ενώσεων προέρχονται από αρκετές διαφορετικές πηγές και είναι δύσκολο να ελεγχθούν. Τα VOCs ελευθερώνονται από αυτοκίνητα, σταθμούς αερίου, σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στεγνοκαθαριστήρια, χημικές βιομηχανίες, διυλιστήρια και άλλες επιχειρήσεις που χρησιμοποιούν διαλύτες. Στην παρακάτω εικόνα φαίνονται οι κύριες πηγές οι οποίες συμβάλλουν στη δημιουργία του τροποσφαιρικού όζοντος. Εικόνα 9.1: Σχηματική παράσταση που δείχνει την προέλευση του όζοντος της τροπόσφαιρας. 45