Smog a zmiana klimatu

Gazy cieplarniane są często mylone z zanieczyszczeniami tworzącymi smog, a zmiana klimatu – ze złą jakością powietrza, którym oddychamy. Są to jednak dwa różne, choć blisko ze sobą związane, problemy. Oba mają tą samą główną przyczynę: spalanie paliw kopalnych i biomasy.

Od kilku lat (szczególnie od czasu rekordowego smogu z początku 2017 r.) w naszym kraju dużo mówi się o problemie złej jakości powietrza. Większa jest również świadomość wpływu zanieczyszczeń na nasze samopoczucie, zdrowie i życie. Coraz więcej mówi się też w Polsce o przyczynach i konsekwencjach zmiany klimatu.

Wielu ludziom, w tym niektórym dziennikarzom, politykom i aktywistom, oba te problemy mniej lub bardziej mylą się lub mieszają. Pomylić je zresztą nietrudno – mają ze sobą dużo wspólnego, a ich zrozumienie wymaga pewnych informacji o chemii i fizyce atmosfery.

Co to jest smog?

„Smog” jest zbitką angielskich słów: „smoke” (dym) i „fog” (mgła). Przy odpowiedniej pogodzie dymy z domowych lub przemysłowych kominów (czasem też dymy z pożarów lasów lub wypalania łąk czy ściernisk) oraz spaliny z rur wydechowych nie rozpraszają się, lecz kumulują przy powierzchni ziemi.

„Odpowiednia pogoda” to brak wiatru wywiewającego zanieczyszczenia z terenów zamieszkanych. Ale powstawaniu smogu jeszcze bardziej niż sam brak wiatru sprzyja występowanie tzw. inwersji termicznej. To sytuacja, gdy do pewnej wysokości temperatura powietrza rośnie wraz z wysokością – zamiast, jak to ma zwykle miejsce – maleć. Blokuje to konwekcyjne unoszenie się powietrza od powierzchni ziemi w górę (wyjaśnienie np. w Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (1): Termiczna struktura atmosfery).

Wpływ inwersji termicznej na stężenia zanieczyszczeń dobrze widać w miejscowościach położonych w dolinach lub kotlinach. Wystarczy wejść na odpowiednio wysokie wzniesienie: w dole zobaczymy szarobrunatną „dymo-mgłę”, zaś ponad nią powietrze „na oko” jest już czyste.

Jak zapewne dobrze wiecie z własnego doświadczenia, mocno zanieczyszczone powietrze nie tylko widać, ale i czuć: ma ono mniej lub bardziej intensywny i nieprzyjemny zapach. Po spacerze na zewnątrz włosy i ubranie pachną też często dymem lub spalenizną.

Mgła (a precyzyjniej wysoka wilgotność powietrza) odgrywała istotną rolę podczas niektórych historycznych „epizodów smogowych”. Choćby tego z doliny Mozy (Belgia) z grudnia 1930 r., który pochłonął 63 ofiary śmiertelne (Firket, 1936). A także podczas słynnego „Wielkiego Smogu Londyńskiego” z grudnia 1952 r., który w ciągu kilku dni zabił ok. 4 tysiące, a w sumie ok. 12 tysięcy osób (Bell i Davis, 2001). (Stężenia zanieczyszczeń były bardzo wysokie przez kilka dni, ale zwiększoną umieralność obserwowano znacznie dłużej.)

Co ciekawe, analizujący przyczyny tragedii w Belgii Firket napisał, że gdyby podobne zdarzenie miało miejsce np. w Londynie, ofiar śmiertelnych byłoby ok. 3200. Jak widzimy, była to iście prorocza przepowiednia, która spełniła się po 16 latach.

W latach 30-tych, 40-tych i 50-tych używano właśnie określenia „mgła” a nie „smog”, co widać choćby po tytułach prac naukowych poświęconych epizodom smogowym (Firket, 1936, Logan, 1953). Obecność prawdziwej mgły nie jest jednak konieczna, by mówić o smogu.

Powietrze jest też mniej lub bardziej zanieczyszczone przez cały rok – nawet wtedy, gdy nie ma typowego, widocznego gołym okiem smogu zimowego („londyńskiego”) ani smogu letniego – fotochemicznego, zwanego również „smogiem typu Los Angeles”. Obecnie w języku potocznym (ale nie w publikacjach naukowych) często używa się już terminu „smog” jako krótkiego i wygodnego synonimu dla „zanieczyszczeń powietrza”. O jakie zanieczyszczenia chodzi?

Z czego składa się smog?

Jeśli interesuje nas bezpośredni wpływ na zdrowie i samopoczucie, najważniejszym zanieczyszczeniem obecnym w powietrzu jest tzw. pył zawieszony (PM, od ang. particulate matter). Pył to bardzo niejednorodna substancja. Mogą go tworzyć drobinki sadzy, powstającej w wyniku niepełnego spalania paliw w silnikach lub domowych paleniskach. Pył powstaje też w trakcie ścierania materiałów (na przykład opon i klocków hamulcowych samochodów) czy w trakcie prac budowlanych.

Cząstkami (nie cząsteczkami!) pyłu mogą być również bardzo drobne ziarenka piasku, wywiewanego znad Sahary lub innych pustyń (pył mineralny). Szerzej, bardzo istotnym źródłem pyłu są procesy wietrzenia gleby i skał.

Do pyłu zaliczamy też wirusy, bakterie, zarodniki grzybów czy pyłki roślin – całe lub ich fragmenty, a także cząstki soli morskiej (Juda-Rezler i in., 2016). W ostatnich latach w powietrzu znajduje się nawet mikroskopijne kawałeczki tworzyw sztucznych (PAP 2019, Brahney i in., 2020, Lim, 2021).

Pył często zawiera metale przejściowe i ciężkie oraz ich związki. W skład pyłu pochodzącego z procesów spalania zwykle wchodzą też związki chemiczne o charakterze rakotwórczym lub mutagennym. Przykładem może tu być benzo(a)piren i niektóre inne związki z ważnej grupy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA). W powietrzu WWA występują nie tylko w fazie stałej (związane z cząstkami pyłu), ale też gazowej (Kozielska i Rogula-Kozłowska, 2014).

Unoszące się w powietrzu cząstki pyłu mają bardzo różną wielkość – od kilku nanometrów (nm) do ok. 100 mikrometrów (μm). Dla porównania, średnica ludzkiego włosa to kilkadziesiąt μm. Liczby podawane przy skrócie PM (np. PM_2,5 albo PM₁₀) oznaczają właśnie tzw. średnicę aerodynamiczną, w mikrometrach (Juda-Rezler i in., 2016).

Mimo że słowo „pył” sugeruje cząstki stałe, tym terminem często określa się też małe kropelki cieczy. Fizycy atmosfery zamiast „pył zawieszony” wolą używać terminu „aerozole”. Z naszego punktu widzenia jest to praktycznie to samo.

Wśród „składników smogu” (to nienaukowe, ale obrazowe i użyteczne określenie, którego będę dalej używał) oprócz pyłu mamy też zanieczyszczenia gazowe. Najważniejsze z nich to tlenek azotu (NO) i powstający z niego dwutlenek azotu (NO₂), dwutlenek siarki (SO₂), ozon (O₃) i tlenek węgla (CO). Uwaga: choć azot tworzy z tlenem kilka różnych związków (w tym ważny gaz cieplarniany – podtlenek azotu N₂O), to specjaliści od zanieczyszczeń powietrza i ich wpływu na zdrowie mówiąc o „tlenkach azotu” mają na myśli jedynie NO i NO₂ (prawdopodobnie dlatego, że z innymi tlenkami azotu nie mają do czynienia).

Ważnymi „składnikami smogu” są też tzw. lotne związki organiczne (LZO) – na przykład „niedopalone” składniki benzyny, składniki rozpuszczalników czy substancje pochodzenia naturalnego, takie jak pineny, wchodzące w skład olejków eterycznych emitowanych przez rośliny.

W większości miejsc na świecie wpływ pyłu na zdrowie i życie ludzkie jest silniejszy niż wpływ innych zanieczyszczeń. Istotną część skutków zdrowotnych (w tym zgonów), związanych z niską jakością powietrza przypisuje się też jednak wpływowi NO₂ i O₃. Ozon oddziałuje zresztą negatywnie nie tylko nasze zdrowie. Szkodzi też roślinom, w tym roślinom uprawnym i drzewom.

Prosty podział na zanieczyszczenia pyłowe i gazowe komplikuje się jeśli wiemy, że poza opisanymi wyżej pyłami pierwotnymi istnieją też pyły wtórne. Powstają one ze związków chemicznych w fazie gazowej (Juda-Rezler i in., 2016). Na przykład, w reakcji dwutlenku siarki z amoniakiem (NH₃) i innymi substancjami gazowymi powstają cząstki stałe lub ciekłe, w skład których wchodzi dobrze rozpuszczalna w wodzie sól: siarczan amonu (Wang i in., 2016; Liu i in., 2019). Zanieczyszczenia gazowe mogą też reagować z cząstkami pyłu pierwotnego, zmieniając ich skład chemiczny oraz wielkość.

Dobrą ilustracją tego, jak dwa gazy reagują w powietrzu tworząc „dym” (pył) jest reakcja amoniaku z chlorowodorem (HCl), w wyniku której powstaje stały chlorek amonu (NH₄Cl). Podobne reakcje zachodzące w atmosferze mogą być jednak bardziej skomplikowane.

Spalanie odpadów i emisje przemysłowe

Omówione wyżej „typowe zanieczyszczenia powietrza” to najważniejsze, ale oczywiście nie wszystkie szkodliwe substancje obecne w powietrzu, na jakie jesteśmy narażeni.

Powietrze (a także gleba i woda) może być też zanieczyszczone na przykład substancjami powstającymi przy spalaniu odpadów: przedmiotów wykonanych z tworzyw sztucznych (gumy, „plastików” itd.), płyt wiórowych, lakierowanego lub impregnowanego drewna. Chodzi tu też o spalanie odpadów poza przeznaczonymi do tego instalacjami (spalarniami): w domowych piecach i kotłach lub na otwartej przestrzeni. To ostatnie zjawisko (ang. open waste burning) jest bardzo poważnym problemem zdrowotnym i środowiskowym, zwłaszcza w krajach rozwijających się (Cogut 2016; Velis i Cook 2021). Także w Polsce w ostatnich latach miały miejsce liczne pożary składowisk odpadów.

Oprócz pyłu (sadzy) i WWA, spalanie odpadów poza profesjonalnymi spalarniami może być źródłem emisji m. in. cyjanowodoru (HCN), chlorowodoru (HCl), benzenu (C₆H₆), styrenu (C₆H₆-CH=CH₂) czy formaldehydu (HCHO). Ale też związków jeszcze bardziej „egzotycznych”: różnych kwasów mono- i di- karboksylowych, estrów kwasu ftalowego (ftalanów), bromowanych eterów difenylowych (PBDE), dioksyn (PCDD/F), czy bromowanych odpowiedników dioksyn (PBDD/F), (Levin 1987; Lemieux i in., 2004; Simoneit i in., 2005; Estrellan i Iino, 2010; Gullett i in., 2010; Kumar i in., 2015). Jeśli więc nawet nie mamy tu do czynienia z przysłowiową „połową tablicy Mendelejewa” (chyba że płonie zużyty sprzęt elektryczny i elektroniczny), to na pewno ze znaczną częścią chemii organicznej.

Wpływ tych substancji na środowisko i zdrowie ludzkie jest wciąż przedmiotem badań. Wiadomo jednak, że długo pozostają w środowisku, mogą kumulować się w łańcuchu pokarmowym i nie są obojętne dla naszego zdrowia.

Wbrew temu co sądzą niektóre osoby, spalanie śmieci w domowych paleniskach nie jest główną przyczyną smogu w Polsce. Palenie odpadów dodatkowo zwiększa jednak toksyczność oraz uciążliwość i tak mocno szkodliwego dymu ze spalania węgla lub drewna. Część szkodliwych substancji pozostaje też w popiele. Spalanie odpadów poza przeznaczonymi do tego instalacjami jest w Polsce nielegalne.

Źródłem emisji benzenu, formaldehydu i wielu innych szkodliwych związków może być również przemysł – na przykład koksownie, rafinerie, zakłady chemiczne czy zakłady produkujące płyty wiórowe.

Zanieczyszczenia powietrza („składniki smogu”) a klimat

Jak widać, wśród omówionych wyżej „smogowych” zanieczyszczeń powietrza nie ma trzech gazów cieplarnianych: dwutlenku węgla (CO₂), metanu (CH₄) i podtlenku azotu (N₂O). Uwaga: tego ostatniego nie należy mylić z dwutlenkiem azotu (NO₂) ani z tlenkiem azotu (NO).

Substancje odpowiadające za zmianę klimatu i te składające się na smog mogą się nam jednak mieszać i mylić. Choćby dlatego, że praktycznie wszystkie wymienione wcześniej typowe zanieczyszczenia powietrza („składniki smogu”) mają mniejszy lub większy wpływ na klimat naszej planety (Myhre i in., 2013).

Niektóre z nich podgrzewają naszą planetę (mówiąc językiem naukowym, mają dodatnie wymuszenie radiacyjne), jak na przykład ozon troposferyczny, czyli ten znajdujący się w troposferze. To ważny gaz cieplarniany, choć mówimy o nim rzadko – pewnie także dlatego, że nie jest przez nas emitowany w istotnych ilościach, a powstaje głównie z innych zanieczyszczeń w wyniku reakcji (foto)chemicznych.

Kolejnym przykładem jest sadza (ang. black carbon, BC), wchodząca często w skład pyłu zawieszonego. Sadza, powstająca w wyniku niepełnego spalania paliw kopalnych i biomasy, ma ocieplający wpływ na klimat nie tylko wtedy, gdy jest obecna w atmosferze. Zwiększa też ilość promieniowania słonecznego pochłanianego przez powierzchnie, na których osiada. Jeśli osiada na lodzie lub śniegu, przyspiesza ich topnienie.

Niektóre substancje, na przykład dwutlenek siarki (SO₂), a precyzyjniej: powstające z niego aerozole siarczanowe (Wang i in., 2016; Liu i in., 2019) ochładzają klimat – mają ujemne wymuszenie radiacyjne (Myhre i in., 2013). Właśnie z tym faktem związany jest przejściowy, ochładzający wpływ erupcji wulkanicznych na ziemski klimat (patrz Jak wpłynęłaby na klimat duża erupcja wulkaniczna?). A także pewien paradoks: dzięki m. in. oczyszczaniu spalin w elektrowniach węglowych, w ostatnich dekadach globalną emisję dwutlenku siarki znacznie ograniczono, co przełożyło się na zmniejszenie stężeń tego gazu w powietrzu. Jest to korzystne dla naszego zdrowia, ekosystemów i budynków, szczególnie zabytków (SO₂ powoduje tzw. kwaśne deszcze), ale przyspieszyło zmianę klimatu – patrz Globalne ocieplenie będzie postępować szybciej, niż sądzimy.

Skoro „pył zawieszony” oznacza z grubsza to samo co „aerozol”, do pyłu stosuje się praktycznie wszystko, co wiemy na temat aerozoli (więcej w: Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (6): Aerozole), patrz też (Penner 2019) oraz art. K. Markowicza w pracy zbiorowej Juda-Rezler i in., 2016).

Mamy wreszcie zanieczyszczenia, które co prawda nie wpływają na klimat bezpośrednio, ale substancje powstające z nich w różnych reakcjach chemicznych już tak. Na przykład z dwutlenku azotu (NO₂) i innych związków chemicznych pod wpływem promieniowania słonecznego powstaje ozon (O₃).

Wspólne źródła smogu i gazów cieplarnianych

Zanieczyszczenia powietrza tworzące smog i gaz cieplarniany – dwutlenek węgla (CO₂) mogą się nam mieszać i mylić także dlatego, że mają w dużej mierze wspólne źródła: spalanie paliw kopalnych (węgla, pochodnych ropy naftowej i gazu ziemnego) oraz biomasy.

Używanie paliw kopalnych wiąże się też z emisjami innego gazu cieplarnianego: metanu (CH₄). Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego, jest także emitowany z głębinowych kopalń węgla kamiennego (Methane Tracker 2020, IEA, Methane Tracker 2021, IEA).

Ważnym źródłem emisji CO₂ jest również spalanie tworzyw sztucznych, produkowanych zresztą w dużej mierze z surowców pochodzących z paliw kopalnych, głównie ropy naftowej. Roczna globalna emisja CO₂ związana tylko ze wspomnianym już zjawiskiem spalania odpadów na otwartej przestrzeni szacowana była parę lat temu na ok. 1,4 mld ton (Wiedinmyer i in., 2014). To kilka procent całkowitej światowej emisji dwutlenku węgla (5% globalnej emisji CO₂ z 2010 r.), a nie liczymy tu spalania odpadów w profesjonalnych instalacjach. Szacuje się że w wielu krajach rozwijających się, np. w Lesotho, Burundi, Mali, Somalii, i na Sri Lance, emisja CO₂ związana ze spalaniem odpadów na otwartej przestrzeni jest większa niż emisja CO₂ oficjalnie raportowana przez te państwa (Wiedinmyer i in., 2014). Spalanie odpadów jest też źródłem silnie ocieplającej klimat sadzy (Cogut 2016; Velis i Cook 2021).

Raz jeszcze: chodzi tu wyłącznie o wpływ jaki na klimat ma spalanie odpadów poza spalarniami. Emisja związana z produkcją tworzyw sztucznych szacowana jest na ok. 800 mln ton ekwiwalentu CO₂; emisja związana ze spalaniem tworzyw sztucznych w profesjonalnych spalarniach jest znacznie mniejsza, patrz Plastik a klimat.

Duże emisje CO₂ i brudne powietrze nie muszą iść w parze

Ranking państw czy regionów, w których problem smogu jest najpoważniejszy nie pokrywa się ani z listą największych emitentów CO₂, (choć w obu zestawieniach w czołówce znalazły by się Chiny i Indie), ani też z listą krajów o największej emisji CO₂ w przeliczeniu na mieszkańca.

(Taki „smogowy” ranking można stworzyć w oparciu o tzw. indeksy jakości powietrza, zawierające informacje o średnich stężeniach najważniejszych zanieczyszczeń.)

Pozostaje to prawdą także wtedy, gdyby patrząc na jakość powietrza, brać pod uwagę tylko zanieczyszczenia pochodzące ze źródeł antropogenicznych, a wykluczać np. pył pustynny – w wielu miejscach na świecie pył z procesów erozji stanowi większość masy pyłu obecnego w powietrzu.

Przykładowo, emisja CO₂ na osobę w Niemczech jest zbliżona do polskiej, ale problem zanieczyszczenia powietrza pyłem i związkami z grupy WWA jest znacznie mniejszy niż u nas. I jest tak pomimo dużo większej gęstości zaludnienia u naszych zachodnich sąsiadów. Stężenia benzo(a)pirenu (a więc najpewniej także i innych WWA) w powietrzu są w Niemczech kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt razy niższe niż w Polsce (Air quality in Europe — 2020 report, EEA). W niemieckich miastach wciąż wysokie są za to stężenia dwutlenku azotu. Skąd te różnice?

W naszym kraju za „smog” odpowiadają przede wszystkim zainstalowane w domach prymitywne urządzenia grzewcze – kotły, piece i kominki, w których spala się węgiel lub drewno, a czasem i odpady. Według danych Krajowego Ośrodka Bilansowania i Zarządzania Emisjami (KOBiZE), gospodarstwa domowe odpowiadają za około połowę (masy) pyłu PM_2,5 emitowanego każdego roku w Polsce. A także za ok. 90% emisji substancji z grupy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) i ok. 2/3 emisji dioksyn (PCDD/F), (KOBiZE 2020), patrz Ilustracje 12 i 13.

Uwaga: w terminologii używanej przez KOBiZE kategoria „Inne sektory” to „instytucje, handel, usługi, gospodarstwa domowe, spalanie paliw w rolnictwie, leśnictwie i rybołówstwie”. Zarówno w przypadku emisji PM 2.5 jak i WWA dominują tu gospodarstwa domowe. Najbardziej aktualne dostępne dane dotyczą 2018 r.

W Polsce w budynkach jednorodzinnych wciąż mamy prawie 3 miliony pieców i kotłów na paliwa stałe (Raport „Droga do czystego powietrza”, Polski Alarm Smogowy 2021). Do tego dochodzi kilkaset tysięcy, może nawet milion ogrzewanych piecami węglowymi mieszkań w budynkach wielorodzinnych (brak tu dokładnych danych). Ogromna większość (nawet 87%) węgla kamiennego spalanego w Unii Europejskiej w gospodarstwach domowych jest spalana w Polsce.

To między innymi właśnie z tych powodów jakość powietrza jest w naszym kraju gorsza niż w większości państw Unii. Gorsza nie tylko niż w Niemczech, ale też w krajach podobnych do Polski: w Czechach, na Węgrzech czy na Słowacji.

Tak jak w wielu miejscach na świecie, bardzo duży wpływ na jakość powietrza ma w Polsce transport drogowy – pojazdy z silnikami spalinowymi, zwłaszcza silnikami Diesla. Transport jest w naszym kraju ważnym źródłem emisji pyłu i głównym źródłem emisji tlenków azotu (KOBiZE 2020).

W dalszej kolejności wpływ na jakość powietrza mają różne gałęzie przemysłu (koksownie, zakłady chemiczne i inne), wreszcie energetyka zawodowa – elektrownie i elektrociepłownie. Energetyka zawodowa plasuje się na drugim miejscu po transporcie pod względem całkowitej emisji NO_x (KOBiZE 2020).

Chodzi tu oczywiście o uśredniony wpływ różnych źródeł na jakość powietrza. Lokalnie, sytuacja może wyglądać inaczej – na przykład jeśli w danej miejscowości mamy zakład przemysłowy.

Warto też pamiętać, że przypadku pyłu, WWA czy tlenków azotu, zwykle nie mamy prostej zależności (proporcjonalności) między wielkością emisji danej substancji a jej stężeniami w powietrzu i wpływem na nasze zdrowie. Na przykład, emisja tej samej ilości NO₂ przez samochody i zawodową energetykę prowadzi do zupełnie innego narażenia ludzi. Samochody emitują zanieczyszczenia blisko naszych nosów i płuc, w dodatku często w obszarach o dużej gęstości zaludnienia. Emisje NO₂ z wysokich kominów elektrowni i są relatywnie mniejszym zagrożeniem.

To, jaki wpływ na jakość powietrza mają różne źródła zanieczyszczeń można próbować oceniać i szacować różnymi metodami. Można znaleźć takie oszacowania na przykład dla Warszawy (Juda-Rezler i in., 2020) i Krakowa (Samek i in., 2021).

Jeśli chodzi o emisje dwutlenku węgla, sytuacja wygląda z grubsza na odwrót niż w przypadku pyłu. W Polsce największym emitentem CO₂ spośród wszystkich sektorów jest energetyka zawodowa: elektrownie i elektrociepłownie. Odpowiadają one za prawie połowę całkowitej rocznej emisji tego gazu, choć transport i ogrzewanie budynków za pomocą domowych kotłów i pieców mają tu też znaczny udział (Poland. 2021 National Inventory Report). Dlaczego tak jest?

Elektrownie i elektrociepłownie spalają większość zużywanego w Polsce węgla kamiennego i prawie cały węgiel brunatny, a także coraz więcej gazu ziemnego. Jednak w przeciwieństwie do domowych urządzeń grzewczych są wyposażone w coraz lepsze instalacje zmniejszające emisje pyłu, tlenków azotu i siarki. Dużo efektywniejszy jest też sam proces spalania. Dlatego wpływ energetyki na powstawanie smogu jest stosunkowo niewielki, za to na klimat – bardzo duży.

I dlatego też organizacje antysmogowe mówią głównie o domowych piecach i kotłach na węgiel i drewno, o kominkach oraz o samochodach, czasem też o zakładach przemysłowych, innych niż elektrownie i elektrociepłownie. Osoby i organizacje zajmujące się walką ze zmianą klimatu koncentrują się natomiast na elektrowniach węglowych i gazowych.

Praw chemii nie da się oszukać

Węgiel, ropę, gaz i biomasę można spalać „czysto” – czyli tak, by (prawie) nie powodować smogu. Bardziej precyzyjnie: tak by emitować tylko małe ilości pyłu (w tym sadzy) czy dwutlenku siarki.

Trudniej jest poradzić sobie z emisjami tlenków azotu, ale i je da się znacznie zmniejszyć. Trudność polega tu na tym, że w wysokich temperaturach zawarty w powietrzu azot łączy się z tlenem, tworząc tlenek azotu NO, który z kolei utlenia się do NO₂. W przeciwieństwie do siarki i SO₂, możemy więc mieć dużą emisję NO₂, nawet jeśli dane paliwo nie zawiera w ogóle azotu ani jego związków.

„Czyste” spalanie paliw kopalnych da się osiągnąć używając nowoczesnych kotłów przemysłowych, domowych urządzeń grzewczych i silników spalinowych. A także stosując różnego typu filtry, katalizatory i inne rozwiązania techniczne, tak jak ma to miejsce choćby w zawodowej energetyce węglowej. Czasem wystarczy po prostu zamiana innych paliw na gaz ziemny, używany do ogrzewania naszych domów lub do produkcji energii elektrycznej (zamiast węgla i biomasy) i w silnikach spalinowych (zamiast oleju napędowego). Przykładowo, nawet prymitywne piece i kotły gazowe emitują bardzo niewielkie ilości pyłu zawieszonego. Po prostu paliwo gazowe łatwiej jest spalić „czysto” niż paliwo ciekłe, a tym bardziej stałe.

Praw chemii nie da się jednak oszukać. W skład paliw kopalnych i biomasy wchodzi przecież węgiel (tu w znaczeniu: szósty pierwiastek układu okresowego). I dlatego przy ich spalaniu zawsze powstaje dwutlenek węgla. Jeśli spalanie jest całkowite, każdy atom węgla (masa molowa 12 g) łączy się z dwoma atomami tlenu O₂ (o masie molowej 2x16g = 32 g). Z każdego grama pierwiastkowego węgla zawartego w spalanej substancji powstaje wtedy 44/12 ≈ 3,67 gramów CO₂. Jeśli spalanie nie jest całkowite, to powstanie nieco mniej CO₂, ale „za to” część pierwiastkowego węgla zawartego w paliwie wejdzie w skład tlenku węgla (CO), lotnych związków organicznych (LZO), wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) czy też sadzy – wspomnianych już wyżej, ważnych „składników smogu”. (Część WWA występuje w sadzy, a część w fazie gazowej.)

Emisji CO₂ związanej ze spalaniem paliw kopalnych lub biomasy nie da się więc zmniejszać tak, jak da się obniżać (w idealnym przypadku praktycznie do zera) emisję pyłu, LZO, tlenków siarki czy azotu. To nie jest kwestia jakości paliwa, techniki spalania czy oczyszczania spalin, tylko praw przyrody.

Pułapka gazyfikacji.

Ilość dwutlenku węgla powstającego przy spalaniu gazu ziemnego jest zwykle znacznie mniejsza (ok. 2–3 razy) niż w przypadku spalania węgla kamiennego lub brunatnego (w przeliczeniu na jednostkę uzyskanej energii). Dokładne liczby zależą od tego, czy mówimy o zawodowej energetyce i produkcji energii elektrycznej, czy o domowych urządzeniach grzewczych i uzyskanej energii cieplnej. Dlatego gaz ziemny jest uważany często za źródło energii bardziej przyjazne dla klimatu niż węgiel. A także za „paliwo pomostowe” albo „przejściowe” między gospodarką opartą na paliwach kopalnych a przyszłą gospodarką nisko- i zeroemisyjną.

Jednak gaz ziemny składa się głównie z silnego gazu cieplarnianego: metanu (CH₄) (patrz Efekt cieplarniany dla średniozaawansowanych (4): Gazy cieplarniane a transport energii). Dlatego wykorzystanie gazu ziemnego jako źródła energii wiąże się nie tylko z emisjami CO₂, ale też z emisjami metanu, których źródłem są wycieki gazu ziemnego podczas jego wydobycia, transportu i składowania.

W zależności od wielkości wycieków, wpływ spalania gazu ziemnego na klimat może być w skrajnych sytuacjach nawet większy niż wpływ spalania węgla (znowu: w przeliczeniu na jednostkę energii). Jest to prawdą przynajmniej w kluczowej dla nas perspektywie czasowej najbliższych 20–30 lat i krótszej, bo metan utlenia się do dwutlenku węgla, więc z czasem jego wpływ na klimat maleje.

Zmiana klimatu jest dużo większym wyzwaniem niż smog

Widać, że działania antysmogowe nie zawsze pomagają klimatowi. I że znacznie łatwiej jest poradzić sobie ze smogiem niż ze zmianą klimatu.

By oczyścić powietrze ze smogu, nie trzeba rezygnować ze spalania paliw kopalnych – wystarczy spalać je „czysto”. Ale żeby spowolnić zmianę klimatu, by uchronić się przed katastrofą klimatyczną, potrzebne są dużo bardziej radykalne kroki – jako źródeł energii nie możemy już używać węgla, ropy ani gazu ziemnego. Albo przynajmniej robić to tak, by nie emitować powstającego przy ich spalaniu dwutlenku węgla do atmosfery (sekwestracja dwutlenku węgla, ang. carbon capture and storage, CCS), patrz Geoinżynieria, czyli jak naprawić klimat – część druga. Co jest trudne technicznie, kosztowne i poza pilotażowymi instalacjami nie jest obecnie stosowane.

Poza tym, jeśli tylko przestaniemy emitować substancje takie jak pył, tlenki azotu czy siarki, to powietrze oczyści się z nich samo, bez naszej ingerencji. W dodatku stanie się to szybko – w skali dni, tygodni.

Z dwutlenkiem węgla już tak prosto nie jest – wyemitowany do atmosfery trafia do tzw. szybkiego cyklu węglowego i krąży między atmosferą, biosferą, i oceanami, wpływając na klimat naszej planety przez tysiące lat – dopóki nie zostanie trwale usunięty w działającym w skali geologicznej tzw. wolnym cyklu węglowym (patrz Impuls węglowy i jego usuwanie z atmosfery). By przywróć atmosferę do stanu pierwotnego (czyli tego sprzed rewolucji przemysłowej) trzeba więc aktywnie usuwać CO₂ bezpośrednio z powietrza za pomocą zalesiania lub technologii DAC (ang. Direct Air Capture).

Z kolei średni czas życia cząsteczki metanu w powietrzu to ok. 10 lat – znacznie krócej niż w przypadku dwutlenku węgla, ale i tak znacznie dłużej niż w przypadku „składników smogu”.

Co więcej, choć zanieczyszczenia takie jak pył mogą się przenosić na znaczne odległości, smog jest i tak w dużej mierze problemem lokalnym. Czasem wystarczy zrobić naprawdę niewiele, by w danym miejscu powietrze stało się o wiele czystsze. Na przykład zlikwidować kilka prymitywnych palenisk zatruwających życie całej okolicy. Albo ograniczyć na jakiejś ulicy ruch – na przykład zakazując wjazdu pojazdom nie spełniającym ustalonych norm emisji spalin. Zmiana klimatu jest zaś jak wiemy problemem globalnym. Istotne jest to, jaka ilość gazów cieplarnianych została przez nas wyemitowana do atmosfery. To gdzie i w jaki sposób były emitowane, nie ma większego znaczenia.

Smogu nie należy jednak lekceważyć

To, że łatwiej jest poprawić jakość powietrza niż powstrzymać zmianę klimatu nie oznacza, że problem smogu nie jest poważny.

Jakością powietrza („smogiem”) interesujemy się przede wszystkim ze względu na jej bezpośredni negatywny wpływ na nasze samopoczucie, zdrowie i życie. Wpływ ten jest bardzo silny: szacuje się, że zanieczyszczenia powietrza (przede wszystkim pył PM_2,5) powodują na całym świecie około 6,5 milionów przedwczesnych zgonów rocznie (Landrigan i in., 2018, dane za 2015 r.). To większość z 9 milionów wszystkich zgonów przypisywanych każdego roku na świecie zanieczyszczeniu środowiska.

Ogromna większość ofiar zanieczyszczonego powietrza to osoby starsze. Jednak w krajach o niższym poziomie rozwoju wśród zgonów spowodowanych przez zanieczyszczenia powietrza mamy też każdego roku setki tysięcy zgonów dzieci w wieku do lat 5 (problem ten praktycznie nie dotyczy państw europejskich). Według Światowej Organizacja Zdrowia (WHO) wszystkich zgonów dzieci poniżej 5 roku życia z powodu zapalenia płuc na całym świecie było w 2017 r. ponad 800 tysięcy (WHO 2017), z czego ok. 45% zgonów przypisuje się właśnie wpływowi zanieczyszczeń powietrza (WHO 2021).

Według raportów Europejskiej Agencji Środowiska (EEA), w Unii Europejskiej z powodu złej jakości powietrza w 2018 r. przedwcześnie zmarło ok. 450 tys. osób (EEA na razie wciąż nie opublikowała szacunków dla lat 2019–2021). W Polsce – w zależności od użytej metodyki i konkretnego roku – zanieczyszczenia powietrza zabijają od ok. 25 tys. (WHO 2016) do ok. 50 tys. osób (EEA 2020). Każdego roku. Jednak niektóre lata są pod pewnymi względami wyjątkowe.

W styczniu a także w lutym 2017 r. na większości terytorium naszego kraju stężenia zanieczyszczeń powietrza były rekordowo wysokie. W styczniu 2017 r. w całej Polsce mieliśmy też o 11 tys. zgonów więcej niż w styczniu 2016 r. Do dziś nie wiadomo, w jakiej mierze za tak duże zwiększenie umieralności odpowiada zanieczyszczenie powietrza, a w jakiej infekcje układu oddechowego, w tym grypa i jej powikłania, a w jakiej wreszcie interakcje między tymi czynnikami. Definitywnej odpowiedzi nie znajdziemy bowiem w istniejących analizach (Wojtyniak i in., 2017).

Prawie nikt w akcie zgonu nie ma jednak wpisane, że umarł przez złą jakość powietrza (jednym z nielicznych wyjątków była dziewięcioletnia Ella Kissi-Debrah, która mieszkała w Londynie przy ruchliwej ulicy i zmarła w lutym 2013 r. po ataku astmy). Zgony przypisywane zanieczyszczeniom powietrza są związane z chorobami układu oddechowego i układu krążenia.

Choć nawet krótkie narażeniu na zanieczyszczone powietrze może mieć bardzo negatywne następstwa, to jednak jeszcze większym problemem jest przewlekłe narażenie nawet na stosunkowo niskie stężenia zanieczyszczeń.

Jest tak dlatego, że narażenie na zanieczyszczenia powietrza nie tylko nasila istniejące choroby układu oddechowego (takie jak astma i przewlekła obturacyjna choroba płuc), ale często odgrywa także istotną rolę w ich rozwoju (Kelly i Fussell, 2011; Khreis i in., 2017). Podobnie jest, jeśli chodzi o funkcjonowanie układu krążenia i dotyczące go choroby (Simkhovich i in., 2008; Mills i in., 2009; Brook i in., 2010; Sun i in., 2010; Newby i in., 2014), a nawet układu nerwowego (Clifford i in., 2016).

U dzieci narażenie na zanieczyszczenia powietrza (zwłaszcza na pył i zawarte w nim substancje) przekłada się na gorszy rozwój intelektualny oraz gorsze wyniki w nauce i testach psychometrycznych. Zanieczyszczone powietrze ma wpływ na późniejszy rozwój i funkcjonowanie mózgu już na etapie życia płodowego. U osób dorosłych długotrwałe narażenie na zanieczyszczenia przyspiesza starzenie się układu nerwowego, pogłębiając i przyspieszając upośledzenie zdolności poznawczych i spadek sprawności umysłowej w podeszłym wieku (Clifford i in., 2016; Weuve i in., 2021).

Narażenie ciężarnej matki na zanieczyszczenia powietrza ma wpływ nie tylko na układ nerwowy dziecka. Może też być jednym z czynników zwiększających ryzyko wewnątrzmacicznego obumarcia płodu (DeFranco i in., 2015; Yang i in., 2018), wcześniactwa (Fleischer i in., 2014; Zhao i in., 2015; DeFranco i in., 2016) i niskiej wagi urodzeniowej noworodków (Choi i in., 2006; Jędrychowski i in., 2010; Pedersen i in., 2013; Fleischer i in., 2014; Smith i in., 2017).

To jeszcze nie koniec tej ponurej wyliczanki. W 2012 r. Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (ang. International Agency for Research on Cancer, IARC) sklasyfikowała spaliny silników Diesla jako substancję o udowodnionym działaniu kancerogennym (grupa 1 w klasyfikacji IARC). Spaliny dieslowskie zostały sklasyfikowane jako substancja „prawdopodobnie rakotwórcza dla ludzi” (grupa 2A) już w 1988 r. Z kolei w 2013 r. za rakotwórcze dla człowieka zostały uznane również zanieczyszczenia powietrza zewnętrznego, w szczególności pył zawieszony.

W obu przypadkach ocena IARC potwierdziła coś, czego można się było spodziewać. W skład pyłu zawieszonego pochodzącego ze spalania paliw kopalnych i biomasy wchodzi przecież wiele substancji rakotwórczych – choćby wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i ich pochodne.

Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), w 2019 r. ok. 90% ludzi na świecie oddychało powietrzem zanieczyszczonym na tyle, by stanowiło to poważne zagrożenie dla ich zdrowia (WHO 2019). Co oznacza: powietrzem nie spełniającym wytycznych WHO. Dziś procent ten byłby jeszcze wyższy, bo wytyczne WHO zostały niedawno znacznie zaostrzone – rosnąca liczba dowodów naukowych wskazywała, że stężenia uznawane do tej pory za akceptowalne wcale takimi nie są.

Warto tu raz jeszcze podkreślić, że w danym regionie świata wielkość emisji typowych zanieczyszczeń powietrza („składników smogu”) wcale nie musi być proporcjonalna do ilości emitowanych gazów cieplarnianych. Zupełnie inne mogą być też główne źródła zanieczyszczeń pyłowych i dwutlenku węgla. Na przykład, pokazano że istnieje jedynie słaba dodatnia korelacja między liczbą zgonów przypisywanych wpływowi pyłu PM_2,5 a emisjami CO₂ w 250 największych miastach świata (Anenberg i in., 2019).

W krajach o niskim dochodzie (np. Indie, Bangladesz, państwa afrykańskie) bardzo duże skutki zdrowotne wiążą się z używaniem biomasy (czasem też węgla kamiennego) do gotowania posiłków. Mowa tu między innymi o większości ze wspomnianych wcześniej kilkuset tysięcy zgonów rocznie wśród dzieci w wieku do 5 lat (WHO 2021). Zastąpienie biomasy używanej do gotowania „czystymi” paliwami (ang. clean cooking fuels), na przykład gazem ziemnym albo gazem LPG (propan-butan) byłoby więc bardzo korzystne z punktu widzenia ochrony zdrowia ludzkiego. Mniej jasne jest, czy taki krok byłby korzystny z punktu widzenia ochrony klimatu. Jest to jednak prawdopodobne, nawet przy zastąpieniu biomasy paliwami kopalnymi. Istotnie zmniejszyły by się bowiem emisje sadzy, a m. in. dzięki większej efektywności energetycznej urządzeń grzewczych na gaz, także emisje CO₂. Pozyskanie biomasy wiąże się też często z wylesianiem, które ma bardzo negatywny wpływ na klimat.

Wysokie stężenia CO₂ bezpośrednio wpływają na nasze samopoczucie

Praktycznie wszystko co zostało do tej pory powiedziane o wpływie zanieczyszczeń powietrza na zdrowie dotyczyło wpływu pyłu zawieszonego, dwutlenku azotu i ozonu. Jednak kolejnym z punktów wspólnych problemu jakości powietrza i problemu zmian klimatycznych jest bezpośredni wpływ, jaki na nasze zdrowie i samopoczucie będzie mieć rosnące stężenie dwutlenku węgla w atmosferze.

Negatywny wpływ dwutlenku węgla na naszą sprawność intelektualną, koncentrację i uwagę można zaobserwować w zatłoczonych, dusznych, niewietrzonych pomieszczeniach już przy stężeniach CO₂ wynoszących ok. 600–700 ppm (cząsteczek na milion cząsteczek powietrza), patrz (Satish i in., 2012; Fisk i in., 2013; Jacobson i in., 2019), patrz też Homo sapiens w świecie wysokich stężeń CO₂.

Jeszcze bardziej powinno interesować nas jednak powietrze zewnętrzne. Stężenie tła dla dwutlenku węgla obecnie osiąga nawet 420 ppm i stale rośnie (z dokładnością do sezonowych wahań związanych z okresem wegetacyjnym na półkuli północnej). Jeśli nie ograniczymy emisji CO₂, to w końcu stężenie tego gazu w atmosferze w dowolnym miejscu planety przekroczy próg 600 ppm. Nawet przy niższych stężeniach CO₂ w powietrzu zewnętrznym coraz trudniej będzie nam wietrzyć budynki, by utrzymać w nich wystarczająco dobrą jakość powietrza – jeśli patrzymy właśnie pod kątem nie za wysokiego stężenia CO₂.

Miejska „czapa” CO₂

Co gorsza, stężenie globalnego tła CO₂ mierzymy z dala od źródeł emisji dwutlenku węgla – na przykład na środku Oceanu Spokojnego (Mauna Loa). W miastach, gdzie mamy wiele różnych źródeł CO₂ – silniki spalinowe, domowe lub przemysłowe paleniska – stężenia tego gazu są dużo wyższe niż stężenia tła, a w niektórych miejscach i porach doby już dziś przekraczają 600 ppm.

To, z jakimi stężeniami CO₂ mamy zwykle do czynienia w miastach, zależy zarówno od wielkości lokalnej emisji, jak i od warunków meteorologicznych. Ale możemy przyjąć, że stężenia te są wyższe przynajmniej o kilkadziesiąt ppm niż stężenie tła.

Pokazały to choćby badania prowadzone w Phoenix (Arizona, USA) w styczniu 2000 r. (Idso i in., 2001). Były to tzw. badania transektowe, w których jeździ się z urządzeniami pomiarowymi daną trasą przez kolejne dni. W zależności od wybranej trasy, punktu na trasie i pory dnia, średnie stężenie CO₂ z okresu prowadzenia pomiarów wahało się między 400 a ponad 500 ppm. Jednak najwyższe zanotowane chwilowe stężenie CO₂ w centrum Phoenix sięgało 650 ppm. Wyższe stężenia zanotowano w dni robocze niż w weekendy – miało to oczywiście związek z natężeniem ruchu samochodowego. Kiedy prowadzono te badania, stężenie CO₂ tła (z dala od miasta) było szacowane na ok. 369 ppm, a nie jak dziś blisko 420 ppm. A było to ledwie dwie dekady temu. Patrząc na Krzywą Keelinga widzimy, że od 1960 r. stężenie dwutlenku węgla w ziemskiej atmosferze wzrosło o ok. 100 ppm – niemal o jedną trzecią.

Inne badania z USA – z Salt Lake Valley w Utah (Mitchell i in., 2018) prowadzą do podobnych wniosków. Stężenia CO₂ w Salt Lake Valley są wyższe w zimie niż w lecie, a to przede wszystkim w związku z ogrzewaniem budynków – klimat jest tam chłodniejszy niż w Phoenix.

Można domyślać się, że sytuacja w naszym kraju wygląda podobnie – nie ma bowiem żadnego powodu, by było inaczej. Tak jak w USA, do wzrostu stężeń dwutlenku węgla przyczynia się zarówno ogrzewanie (zwłaszcza w przypadku zimowych epizodów smogowych, kiedy mamy do czynienia z inwersją i brakiem wiatru), jak i motoryzacja (przez cały rok).

To zjawisko „miejskiej czapy CO₂” (ang. urban CO₂ dome), czyli lokalnie podwyższonego stężenia dwutlenku węgla (w stosunku do globalnego tła) jest trochę podobne do zjawiska miejskiej wyspy ciepła. Mniej się jednak o nim mówi. A dzieje się tak pewnie także dlatego, że tylko w nielicznych miastach (niemiecki Heidelberg czy Pasadena w Kalifornii) od dłuższego czasu regularnie mierzone są stężenia CO₂. Rozwój sieci monitoringu CO₂ to kwestia dopiero ostatnich lat. Osoby zainteresowane tą tematyką mogą zapoznać się też z listą starszych prac (wraz z krótkim omówieniem każdej z nich) poświęconych „miejskiej czapie CO₂”.

Pożary lasów

Innym ważnym przykładem zależności między jakością powietrza – smogiem, a zmianą klimatu są pożary lasów, które wraz z postępującym ociepleniem naszej planety prawdopodobnie będą coraz częstsze.

Pożary lasów (a szerzej także łąk, torfowisk, itd.) są źródłem emisji nie tylko znacznych ilości CO₂, ale i pyłu (dymu). Lokalnie mogą więc bardzo pogarszać jakość powietrza. Dobrze było to widać w ostatnich latach w Australii i Kalifornii, a także w Brazylii, w związku z pożarami lasów Amazonii. Wpływ pożarów lasów na jakość powietrza to zresztą problem znany od dawna. Okresowe wypalanie lasów w Indonezji od lat powoduje smog w Singapurze. Dekadę temu potężne pożary lasów i torfowisk spowiły gęstym dymem Moskwę.

Pożary lasów, łąk czy torfowisk są zwykle uznawane za naturalne (a nie antropogeniczne) źródła emisji pyłu i CO₂. Prosty podział na źródła „naturalne” i „antropogeniczne” zaciera się jednak w związku z naszym wpływem na ziemski klimat.

Podsumowanie

Zmiana klimatu i problem złej jakości powietrza (smogu) są często ze sobą mylone. Nic dziwnego – oba problemy mają tą samą główną przyczynę: spalanie paliw kopalnych i biomasy.

Państwa i regiony z najwyższymi emisjami gazów cieplarnianych nie muszą jednak wcale być tymi, gdzie zanieczyszczenie powietrza jest największe.

Co więcej, procentowy udział ogrzewania budynków, transportu, przemysłu, czy energetyki w emisji „składników smogu” takich jak pył lub dwutlenek azotu może istotnie różnić się od ich udziału w emisji gazów cieplarnianych. Konkretne liczby zależą też oczywiście od analizowanego państwa lub regionu świata.

Skutki zmian klimatycznych będą najprawdopodobniej znacznie poważniejsze niż konsekwencje zanieczyszczenia powietrza pyłem, dwutlenkiem azotu czy ozonem. Globalne ocieplenie jest dla ludzkości nieporównywalnie większym zagrożeniem niż zanieczyszczenie powietrza.

Dużo łatwiej jest też poradzić sobie ze złą jakością powietrza niż powstrzymać zmianę klimatu. Choćby dlatego, że nie trzeba rezygnować z paliw kopalnych, by zlikwidować smog.

Ale zanieczyszczenie powietrza to i tak bardzo poważny problem: na całym świecie zła jakość powietrza każdego roku jest przyczyną prawie 7 mln zgonów, a także wielu innych negatywnych skutków zdrowotnych.

Jednym z punktów wspólnych problemu jakości powietrza i zmiany klimatu jest rosnące stężenie CO₂ w atmosferze, zwłaszcza w miastach, które będzie coraz bardziej negatywnie wpływać na nasze samopoczucie. Choć na razie mówiąc o smogu, zwykle nie wspominamy o dwutlenku węgla, być może należy zacząć to już robić.

Jakub Jędrak, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Tekst jest zmienioną i rozszerzoną wersją rozdziału wydanego przez Uniwersytet Warszawski podręcznika „Klimatyczne ABC”.