Menneskeskapte luftforurensere

Kapittel 14

Luftforurensning

Asgeir Sorteberg

Geofysisk Institutt, UiB

Luftforurensing

Luftforurensning er en samlebetegnelse på atmosfæriske gasser, partikler, eller biologisk materiale (f. eks pollen) som medfører helsefare eller ubehag for mennesker eller

andre levende organismer (planter og dyr) , virker forstyrrende på økosystemer eller påvirker det bygde

miljø (f.eks. ødelegger fasader).

Vi kan dele luftforurensing inn i naturlig luftforurensning (vulkaner, skogbranner, støv, pollen) og menneskeskapt

luftforurensning (antropogen forurensing) utslipp fra fabrikker, biltrafikk, jordbruk, kraftverk, gruvedrift,

søppelfyllinger etc.

Luftforurensing

Luftforurensningen kan enten være primær eller sekundær (eller begge deler).

En primær luftforurenser er substanser som direkte gir luftforurensning (aske fra et vulkanutbrudd,

svoveldioksid fra fabrikker etc.) mens en sekundær luftforurenser blir dannet i luften når gasser som enten

er primære luftforurensere eller ikke har noen

forurensningseffekt omdannes til en luftforurensere . En del luftforurensere kan være både primære og sekundære, det vil si at de direkte skaper forurensning

og danner andre forurensere (f. eks NO2 og SO2).

Menneskeskapte luftforurensere

Navn Beskrivelse

Svoveldioksid (SO₂) Fargeløs gass, dannes hovedsakelig ved forbrenning av fossilt brennstoff samt av vulkaner og ulike industriprosesser.

Gassen er direkte skadelig for mennesker . Kan gi økt forekomst av luftveissykdommer, luftveisinfeksjoner og bronkitt. Bidrar til nedsatt lungefunksjon hos folk med lungesykdommer.

SO₂ er en forløper for sur nedbør og smog Nitrogenoksider

(NO_X)

Nitrogenoksider (NO og NO₂, summen er NO_X) dannes ved

forbrenninger av fossile brensler (eksos og utslipp fra gass- eller parafinovner). Forurensningen gir en brun dis.

NO2 kan være direkte skadelig for mennesker . Langvarig

eksponering kan gi økt forekomst av sykdom i luftveiene (f.eks.

bronkitt,, kronisk hoste og episoder med pusteproblemer). Spesielt mennesker med astma er utsatt.

NO_X er en forløper for sur nedbør og smog.

Karbonmonoksid (CO)

Fargeløs gass som dannes ved forbrenning av fossile brensler . Eksos fra biltrafikken er også en betydelig kilde til karbonmonoksid. CO binder seg lett til hemoglobinet i de røde blodlegemene slik at

oksygen ikke bli transportert rundt i kroppen like effektivt. Ved høye konsentrasjoner kan dette medføre døden (kullosforgiftning)

Menneskeskapte luftforurensere

Navn Beskrivelse

Svevestøv (PM:

Particulate matter)

Svevestøv er meget små partikler og deles ofte opp i PM10 (diameter under 10 mikrometer) , PM2,5 (mindre enn 2,5 µm) og PM0,1 (mindre enn 0,1 µm) . Partiklene er så små at de kan pustes ned i lungene.

Hovedkilder til menneskeskapt svevestøv er eksosutslipp, asfaltstøv fra veislitasje, ved og olje fyring.

Svevestøv er knyttet til nedsatt helse knyttet til hjertesykdommer,

nedsatt lungefunksjon og lungekreft. Mennesker med lungesykdommer som KOLS og astma er spesielt utsatt.

Persistente organiske miljøgifter (POP)

Dett er organiske miljøgifter som kan transporteres svært lang i

atmosfæren, har lang levetid og akkumuleres i næringskjeden. Stoffene har en tendens til å fordampe i varmere strøk og transporteres til

kaldere områder. Det er tidligere blitt påvist skadelige effekter som f.

eks. redusert fruktbarhet hos isbjørn og så tynne eggeskall hos sjøfugl at de blir knust under ruging. Mange POPer er såkalt hormonhermere og i hvor stor grad de er skadelige for mennesker er ikke godt kartlagt.

Eksempler på POPer er typiske industrikjemikalier som PCB (polyklorerte bifenyler) og BFR (bromerte flammehemmere), plantevernmidler og insektmidler som DDT etc.

Menneskeskapte luftforurensere

Navn Beskrivelse

Radioaktiv forurensning

Produkter fra kjernefysiske eksplosjoner, kjernefysiske lekkasjer og naturlig radioaktiv forfall fra radon. Radioaktivitet kan komme inn i kroppen via mat og drikke, og gjennom luften vi puster inn. Det radioaktive materialet vi sakte spaltes og sende ut kraftig radioaktiv stråling

Akutt strålesyke følger etter store doser til hele kroppen når

produksjonen av blodceller i ryggmargen ødelegges. Immunforsvaret settes ute av spill og det vil etter en tid utvikles infeksjoner, som kan føre til død.

Langtidseffekter av små stråledoser er i første rekke forskjellige kreftformer og genetiske forandringer. Stråling kan føre til skader på DNA-molekylet (arvestoffet), som igjen kan utvikle seg til kreft og avkom med deformasjoner.

Lettflyktige organiske stoffer (VOC:

volatile organic compounds)

Dette er en samlebetegnelse på en rekke viktige luftforurensere som inneholder karbon og har svært lave konsentrasjon. For eksempel er aromatisk sammensetninger som benzene, toluene og xylen mistenktes for å være kreftfremkallende stoffer (blodkreft). Mange VOCer er viktig for dannelsen av sur nedbør , bakkenær ozon og smog. I tillegg er

mange kraftige drivhusgasser.

Bakkenær ozon

Ozon er en gass som bidrar til forsterkede

lungeproblemer hos personer med lungesykdomer som astma, bronkitt, kols etc. og kan nedsette

lungekapasiteten til folk flest. Bakkenær ozon en viktig bestanddel i noen typer smog (ofte kalt fotokjemisk

smog) og dannes ved fotokjemisk splitting av nitrogendioksid (sollys treffer nitrogendioksid) og dannelse av nitrogenmonoksyd og molekylært oksygen

NO₂ + sollys NO + O

som igjen vil reagere med oksygen for å danne ozon O₂ + O + M O₃ + M

Overskuddsenergien fra denne prosessen tas opp av et tredje molekyl M (kan være en hvilken som helst gass)

Bakkenær ozon

Som regel vil ozone raskt brytes ned igjen ved å reagere med nitrogenmomoksyd

O₃ + NO NO₂ + O₂

men NO kan isteden reagere med et peroksyradikal og danne nitrogendioksid og et hydoksylradikal

NO + HO₂ NO₂ + OH

som igjen reagerer med karbonmonoksyd og danner karbondioksyd og hydrogen

OH + CO CO₂ + H

Som igjen reagerer med oksygen og reforme et peroksyradikal

H + O₂ HO₂

Bakkenær ozon

Summen av alt dette er at vi får en produksjon av ozon ved oksidasjon av karbonmonoksid der nitrogendioksid

har virket som en katalysator (brukes ikke opp). Dvs at for a danne bakkenær ozon trenger vi karbonmonoksid,

nitrogendioksid og sollys NO₂ + sollys NO + O

O₂ + O + M O₃ + M NO + HO₂ NO₂ + OH

OH + CO CO₂ + H H + O₂ HO₂

Netto: CO+2O₂+sollys CO₂ + O₃

Bakkenær ozon

Andre flyktige organiske komponenter (VOC) er ofte med å forverre situasjoner med fotokjemisk smog

Fotokjemisk smog over Los

Angeles og Beijing

Sur nedbør

Nedbør er naturlig surt (pH* omkring 5.6) som følge av kontakt med atmosfærens CO₂ og sur nedbør er nedbør

som har en lavere pH-verdi enn 5.6. (en nøytral væske har pH på 7). I Norge måles det jevnlig pH-verdier på ca.

4. Sur nedbør inneholder svovelsyre, nitrater,

ammonium, metallforbindelser, organiske forbindelser og flere andre stoffer.

*pH er et mål på hvorvidt en løsning er sur eller basisk. Dette gjøres ved å måle

konsentrasjonen av H⁺-ioner (strengt tatt forekommer ikke slike ioner fritt i vannløsninger, de vil alltid knytte seg til et vannmolekyl og danne et H₃O⁺-ion)

PH skalaen går fra 0 til 14, der 7 er nøytral. Det er en logaritmisk så surheten øker med en tierpotens for hver enhet pH blir redusert med. F.eks vil en løsning med pH 5 ha 100 ganger flere H⁺-ion enn en løsning med pH på 7.

Sur nedbør

Sur nedbør skyldes hovedsakelig forbrenning av fossile brensler, i første rekke kull og petroleumsprodukter.

Forbrenningen frigjør svovelforbindelser som finnes i brenselet. I tillegg dannes også nitrogenforbindelser gjennom en reaksjon mellom nitrogen og oksygen under påvirkning av varme i forbrenningsprosessen. Danning av

nitrogenoksider (NO_x) i forbrenningsprosessen avhenger for en stor del av temperaturen i prosessen: jo høyere

temperatur, dess mer NO_x.

Nitrogendioksid oksideres vha et hydroksyl til salpetersyre

NO₂ + OH + M HNO₃ + M

Overskuddsenergien fra denne prosessen tas opp av et tredje molekyl M.

Salpetersyre løses lett i skydråper der de blir dissosiert (splitting av molekyler) til H+ og NO3- ioner som regner ut med nedbøren og

gir sur nedbør HNO₃↔ H⁺ +NO₃^-

Sur nedbør

↔ betyr at det er en kjemisk likevekt

I tillegg til å være en viktig bestanddel i sur nedbør virker nitrogen også som gjødsel og skape overgjødsling (eutrofiering) siden mye av nitrogenet som

avsettes blir tatt opp av planter eller bundet i jordsmonnet.

Det nitrogenet som ikke tas opp av planter eller bindes i jorda vil havne i elven og tilslutt i havet (fjordene) der det bidrar til gjødsling og økt algevektst.

Svoveldioksid oksideres vha et hydroksyl til hydrogensulfitt

SO₂ + OH + M HSO₃ + M

som blir etterfulgt av dannelsen av svovelsyre (H₂SO₄) HSO₃ + O₂ SO₃ + HO₂

SO₃ +H₂O - H₂SO₄

Som løses lett i vann (skydråper) H₂SO₄ ↔ 2H⁺ + SO₄^2-

Som regner ut og gir sur nedbør

Sur nedbør

↔ betyr at det er en kjemisk likevekt

Sur nedbør

Nedfall av svovel (i hovedsak gjennom nedbør) er kraftig redusert de siste 30 årene som en konsekvens av at de fleste europeiske land har forpliktet seg til å

redusere utslippene gjennom konvensjonen om langtransporterte grenseoverskridende luftforurensninger som trådde i kraft i 1979

Avsetning av svovel 1997-2001 i milligram svovel

per m³ per år Avsetning av

svovel 1978-1982

i milligram svovel per m³

per år

Sur nedbør

Sur nedbør er fortsatt en alvorlig trussel mot det biologiske mangfoldet i ferskvann i sør Norge. I 1990 ble det anslått at omtrent 9000 fiskebestander var tapt og over 5000 bestander redusert pga. forsuring. Tilsvarende beregning er ikke gjort senere,

men en studie fra 2008 anslår at arealet med fiskeskader i Norge er redusert med ca 38 prosent i 2006 i forhold til i 1990.

Det er i hovedsak to grunner til at fiskebestandene blir redusert pga sur nedbør. Den sure nedbøren tar liv av arter fisken spiser og gir for lite mattilgang og direkte forgiftning pga oppløst aluminium.

Sur nedbør gjør at aluminium (som er et av de vanligste

grunnstoffene i berggrunnen), lekker ut i vassdragene. Aluminium- ioner kan feste seg på fiskens gjeller og påvirker saltinnholdet i blodet og oksygenopptaket. Fisken vil derfor dø som følge av svikt i

saltbalansen og kvelning.

Sur nedbør

Sur nedbør er fortsatt en alvorlig trussel mot det biologiske mangfoldet i ferskvann i sør Norge. I 1990 ble det anslått at omtrent 9000 fiskebestander var

tapt og over 5000 bestander redusert pga. forsuring. Tilsvarende beregning er ikke gjort senere, men en studie fra 2008 anslår at arealet med fiskeskader i

Norge er redusert med ca 38 prosent i 2006 i forhold til i 1990 pH

norske innsjøer 1990

pH

norske innsjøer 2012

Svevestøv

Svevestøv er meget små partikler.

Deles ofte opp i:

PM10 (diameter under 10 mikrometer) PM2.5 (mindre enn 2.5 µm).

PM0.1 µm (mindre enn 0.1 µm).

Partiklene er så små at de kan pustes ned i lungene.

Hovedkilder til menneskeskapt svevestøv er eksosutslipp,

asfaltstøv fra veislitasje, ved og olje fyring.

Svevestøv

Svevestøvkilder etter kategori:

Forbrenningspartikler blir dannet ved ufullstendig forbrenning. De mest aktuelle partiklene er diesel- og bensineksospartikler, i tillegg til vedfyringspartikler.

Slitasjepartikler fra veidekke blir produserte i store mengder når biler kjører med piggdekk på veier som ikke er dekt av snø eller is. Slitasjepartikler inneholder også partikler fra dekk og bremser.

Langtransporterte partikler finnes i lufta året rundt. For det meste er dette sulfat, nitrat og langtransporterte

forbrenningspartikler som tilhører PM2.5 kategorien.

Svevestøv

Typiske konsentrasjoner

Svevestøv blir ofte målt i mikrogram per kubikkmeter luft (µg/m3).

I område med lite forurensning er mengden PM10-støv ofte under 10 µg/m3 i gjennomsnitt over døgnet.

I store byer og tettsteder kan mengden PM10-støv komme opp i 100–400 µg/m3 luft i gjennomsnitt per døgn på ekstreme

dager.

Årsmiddel for Bergen sentrum er rundt 40 µg/m3

Svevestøv

Helseplager

Svevestøv er knyttet til nedsatt helse knyttet til hjertesykdommer, nedsatt lungefunksjon og lungekreft. Mennesker med

lungesykdommer som KOLS og astma er spesielt utsatt.

Grensen på 10 µm skyldes at nesten alle partikler større enn 10 μm avsettes i nese og munnhule og når derfor ikke ned i lungene.

Konsentrasjoner av PM2,5 har sterkere sammenheng med helseeffekter enn det man finner med PM10

Faktorer som gir luftforurensning

I tillegg til utslipp av luftforurensere er konsentrasjonene av luftforurensning bestemt av den meteorologiske

situasjonen og topografien.

De viktigste meteorologiske parameterne er stabiliteten og vindhastigheten. Spesielt stor forurensning får man

på dager med inversjon (se notater kap. 3 og 5) da utslippene blir liggende i den stabile lufta når bakken

eller ikke utluftes hvis man har en inversjon i høyden

Inversjonstyper

Vi kan dele inversjoner inn i forskjellige typer avhengig av årsaken til at det blir en inversjon. De viktigste er:

Strålingsinversjon Subsidensinversjon Frontinversjon

Inversjonstyper

Strålingsinversjon: Skyldes at utstrålingen av langbølget stråling fra bakken er mye større en innstrålingen av kort og langbølget stråling slik at stålingsbalansen er negativ (dvs mer energi ut fra overflaten enn inn) vi får da en avkjøling av

Inversjonstyper

Subsidensinversjon: Denne typen inversjon er forårsaket av luft som synker og blir adiabatisk oppvarmet pga

trykkøkning. Skjer ofte i forbindelse med høytrykk.

Subsidensinversjon kan også forekomme pga støm over fjell som oppvarmes adiabatisk.

Inversjonstyper

Front inversjon: Oppstår når kald luft presser varm luft opp.

For eksempel i forbindelse med kald og varmfronter og hvis kald marin luft kommer innover land.

Røykfaner ved forskjellige

meteorologiske forhold

Røykfaner ved forskjellige

meteorologiske forhold