Jak powstaje smog? Przyczyny i skutki zjawiska

Smog powstaje, gdy zanieczyszczenia uwalniane do powietrza w wyniku działalności człowieka łączą się z mgłą, wysoką wilgotnością oraz brakiem wiatru, a w przypadku odmiany letniej także z intensywnym promieniowaniem słonecznym. Za jego powstawanie odpowiadają głównie niska emisja z domowych pieców, transport drogowy oraz przemysł, a skutki obejmują poważne choroby układu oddechowego, krążenia i nowotwory. W tym artykule wyjaśniamy dokładny mechanizm powstawania obu typów smogu oraz podpowiadamy, jak ograniczyć to zjawisko.

Czym jest smog i skąd pochodzi ta nazwa?

Termin smog to połączenie dwóch angielskich słów – “smoke” oznaczającego dym oraz “fog”, czyli mgła. To krótkie określenie bardzo trafnie opisuje zjawisko atmosferyczne polegające na jednoczesnym występowaniu wysokiego stężenia szkodliwych substancji w powietrzu oraz pary wodnej. Smog przyjmuje postać gęstej, zawieszonej nad miastem mgły, która w rzeczywistości jest toksyczną mieszaniną gazów i drobnych pyłów.

Współcześnie problem dotyczy nie tylko wielkich aglomeracji, ale również mniejszych miejscowości, gdzie dominuje zabudowa jednorodzinna ogrzewana paliwami stałymi. Zjawisko to zalicza się do najpoważniejszych zagrożeń środowiskowych dla zdrowia człowieka, a jego oddziaływanie na organizm bywa porównywane do długotrwałego narażenia na substancje rakotwórcze.

Smog to sztuczna mgła, która powstaje w sposób nienaturalny jako efekt działań człowieka oraz niesprzyjających warunków przyrody.

Jakie są główne przyczyny powstawania smogu?

Podstawowym mechanizmem tworzenia się smogu jest połączenie wysokiej emisji zanieczyszczeń z warunkami atmosferycznymi, które uniemożliwiają ich swobodne rozprzestrzenianie. Gdy powietrze nad danym obszarem pozostaje nieruchome, a ukształtowanie terenu dodatkowo ogranicza cyrkulację, szkodliwe substancje gromadzą się w przygruntowej warstwie atmosfery.

W skali całej Polski dominującą rolę odgrywa tak zwana niska emisja, czyli przedostawanie się spalin do wysokości umownej wynoszącej 40 metrów. Odpowiada za nią przede wszystkim sektor komunalno-mieszkaniowy, który generuje ponad 85% pyłów PM10 w powietrzu oraz aż 87% rakotwórczego benzo(a)pirenu. Domowe kotłownie spalające węgiel i drewno mają więc ogromny udział w zanieczyszczeniu, szczególnie gdy wyposażone są w przestarzałe urządzenia bez właściwej automatyzacji spalania.

Jak transport drogowy przyczynia się do smogu?

Pojazdy spalinowe uwalniają do atmosfery tlenki azotu, tlenek węgla oraz węglowodory. W 2019 roku samochody osobowe odpowiadały za 60,6% emisji dwutlenku węgla pochodzącego z całego sektora transportu. Dodatkowo transport generuje tak zwane emisje non-exhaust, czyli zanieczyszczenia powstające poza procesem spalania paliwa – należą do nich pyły ze ścierania opon, klocków i tarcz hamulcowych oraz nawierzchni drogowej.

Niewielkie cząstki gumy i metalu unoszą się w powietrzu, by po chwili osiąść na ulicach i chodnikach. Przy kolejnym przejeździe samochodu wzbijają się ponownie, tworząc trudną do kontrolowania zawiesinę pyłową w bezpośrednim sąsiedztwie pieszych i rowerzystów. W miastach o dużym natężeniu ruchu ten rodzaj emisji ma realny wpływ na jakość powietrza, zwłaszcza w ciepłe, suche dni.

Jaka jest rola przemysłu i rolnictwa?

Zakłady przemysłowe, zwłaszcza z sektora paliwowo-energetycznego, elektromaszynowego, chemicznego i spożywczego, emitują znaczne ilości zanieczyszczeń. Przemysł energetyczny odpowiada za 20,95% emisji tlenków azotu, co stawia go na drugim miejscu po transporcie drogowym. Produkcja energii z paliw kopalnych uwalnia też do atmosfery pyły oraz związki siarki.

Rolnictwo również ma swój udział w zanieczyszczeniu powietrza. Generuje 12,09% tlenków azotu, głównie poprzez użytkowanie maszyn rolniczych oraz stosowanie nawozów i oprysków. W wyniku tych zabiegów do atmosfery przedostają się różne substancje chemiczne, w tym prekursory pyłów zawieszonych i ozonu troposferycznego.

Jak powstaje smog londyński?

Smog londyński, nazywany też kwaśnym, siarkowym lub klasycznym, pojawia się głównie w sezonie grzewczym – od listopada do marca. Powstaje, gdy wysoka emisja pyłów zawieszonych, tlenków siarki, tlenku węgla oraz benzo(a)pirenu z domowych pieców i kotłów zetknie się z mgłą i dużą wilgotnością powietrza. W takich warunkach cząsteczki pary wodnej łączą się z zanieczyszczeniami, tworząc ciężką, gęstą mgłę o kwaśnym charakterze.

Istotnym czynnikiem sprzyjającym temu zjawisku jest inwersja temperaturowa. Polega ona na tym, że dolne warstwy atmosfery są chłodniejsze od wyższych, co całkowicie blokuje pionowy ruch powietrza. Zanieczyszczenia uwalniane przy powierzchni ziemi nie mogą się unieść i rozproszyć, pozostają więc uwięzione na wysokości, na której oddychają ludzie.

Równie ważną rolę odgrywa wyż baryczny, czyli antycyklon. Ten układ ciśnieniowy zasilany jest masami powietrza z wyższych warstw atmosfery, co tłumi ruchy konwekcyjne. W połączeniu z bezwietrzną pogodą i ukształtowaniem terenu, na przykład kotliną otoczoną wzniesieniami, tworzy idealne warunki do wielodniowego utrzymywania się smogu nad miastem.

Do historii przeszedł Wielki smog londyński z 1952 roku. W ciągu zaledwie pięciu dni z powodu komplikacji oddechowych po wdychaniu zanieczyszczonego powietrza zmarło 4 tysiące osób, a w kolejnych tygodniach dalsze 8 tysięcy. Stężenie dwutlenku siarki osiągnęło wówczas poziomy śmiertelne dla ludzi, co doprowadziło do wprowadzenia pierwszych poważnych regulacji antysmogowych w Europie.

Jak powstaje smog fotochemiczny?

Smog fotochemiczny, zwany też smogiem typu Los Angeles, jasnym lub białym, to zjawisko typowe dla miesięcy letnich. Tworzy się przy wysokiej temperaturze powietrza przekraczającej 25°C oraz wilgotności względnej poniżej 70%. Najczęściej występuje w miastach o intensywnym ruchu samochodowym, gdzie do atmosfery trafiają duże ilości tlenków azotu, tlenku węgla i węglowodorów.

Kluczowym elementem jest tu promieniowanie ultrafioletowe. Pod jego wpływem zachodzi fotoliza, czyli rozpad chemiczny cząsteczek pod działaniem światła. Tlenki azotu i węglowodory reagują ze sobą, tworząc silnie drażniący ozon troposferyczny, a także formaldehyd, acetaldehyd, nadtlenek wodoru oraz azotan nadtlenku acetylu. To właśnie ozon odpowiada za brunatny odcień letniej mgły nad miastem.

Warto pamiętać, że ozon w stratosferze chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem UV, ale w przyziemnej warstwie powietrza staje się groźnym zanieczyszczeniem. Krótkotrwałe wdychanie go powoduje podrażnienie oczu, gardła i błon śluzowych, a długotrwała ekspozycja wiąże się z pogorszeniem funkcji płuc i zwiększonym ryzykiem chorób układu oddechowego.

W Polsce smog typu Los Angeles odnotowano już w Krakowie, Warszawie, Katowicach i Wrocławiu, co wiąże się ze zmianami klimatu i wzrostem natężenia ruchu drogowego.

Jakie zanieczyszczenia tworzą smog?

W skład smogu wchodzi wiele różnych substancji, ale najczęściej wymienia się pyły zawieszone, tlenki siarki, azotu i węgla oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Każda z tych grup oddziałuje na organizm w inny sposób, a ich wspólne występowanie potęguje negatywne skutki zdrowotne. Poniżej omawiamy najważniejsze składniki trującej mgły:

• pyły zawieszone PM10 i PM2,5,
• dwutlenek siarki (SO2),
• tlenki azotu (NOx),
• tlenek węgla (CO),
• benzo(a)piren z grupy WWA,
• ozon troposferyczny (O3).

Pyły zawieszone PM10 i PM2,5

Pyły zawieszone to mikroskopijne cząstki kurzu, sadzy, piasku czy pyłków roślin, a także produkty ścierania opon, hamulców i nawierzchni. PM10 to cząstki o średnicy poniżej 10 mikrometrów, które podrażniają głównie górne drogi oddechowe. Z kolei PM2,5 to drobiny o średnicy mniejszej niż 2,5 mikrometra, które z łatwością przedostają się do płuc, pęcherzyków płucnych, a stamtąd bezpośrednio do krwiobiegu.

To właśnie pył drobny PM2,5 uznaje się za najgroźniejszy składnik smogu, ponieważ na jego powierzchni osadzają się metale ciężkie oraz rakotwórcze wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Drobiny te mogą pozostawać w atmosferze nawet przez kilka tygodni, przemieszczając się na duże odległości i zanieczyszczając obszary oddalone od źródła emisji.

Tlenki siarki, azotu i węgla

Dwutlenek siarki powstaje głównie podczas spalania paliw zanieczyszczonych związkami siarki, przede wszystkim węgla o niskiej jakości. W kontakcie z parą wodną tworzy kwas siarkowy, odpowiedzialny za powstawanie kwaśnych deszczy oraz erozję elewacji i zabytków. Działa też silnie drażniąco na drogi oddechowe, a przy wysokich stężeniach bywa śmiertelnie niebezpieczny – co pokazały wydarzenia z Londynu w 1952 roku.

Tlenki azotu trafiają do atmosfery przede wszystkim z rur wydechowych pojazdów, zwłaszcza z silników diesla. W obecności światła słonecznego wchodzą w reakcje fotochemiczne, przyczyniając się do powstawania ozonu. Natomiast tlenek węgla, zwany czadem, powstaje w wyniku niecałkowitego spalania paliw. Jest gazem bezbarwnym i bezwonnym, który po przedostaniu się do krwi wiąże się z hemoglobiną i wypiera tlen, prowadząc do niedotlenienia organizmu.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne i metale ciężkie

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) to grupa około 10 tysięcy związków chemicznych powstających podczas niecałkowitego spalania drewna, śmieci lub tworzyw sztucznych. Wykazują silne działanie genotoksyczne, mutagenne i rakotwórcze. Ich markerem jest benzo(a)piren, który bardzo łatwo kumuluje się w organizmie, a oznaczanie jego stężenia w próbkach środowiskowych pozwala ocenić całkowitą zawartość WWA w powietrzu.

Podczas spalania zanieczyszczonych paliw do środowiska przedostają się też metale ciężkie – ołów, rtęć, kadm, cynk, miedź czy chrom. Główne źródło kadmu i niklu stanowi sektor komunalny, natomiast branże produkcyjna i energetyczna odpowiadają za emisję rtęci, chromu i miedzi. Metale ciężkie dostają się do organizmu drogą oddechową, dermalną lub wraz z pokarmem, a ich nadmiar może prowadzić do zatruć i uszkodzeń narządów wewnętrznych.

Jak smog wpływa na zdrowie człowieka?

Zanieczyszczenie powietrza to jedno z największych środowiskowych zagrożeń dla zdrowia w Europie i na świecie. W Polsce z powodu chorób wywołanych złą jakością powietrza umiera przedwcześnie od 26 do 48 tysięcy osób rocznie, a oczekiwana długość życia skraca się nawet o rok. Najczęściej są to zgony związane z chorobami układu krążenia, oddechowego oraz nowotworami.

Szczególnie narażone są dzieci, osoby starsze, kobiety w ciąży, palacze tytoniu oraz pacjenci z przewlekłymi schorzeniami. Wdychanie zanieczyszczonego powietrza prowadzi do podrażnienia błon śluzowych, kaszlu, bólu gardła, chrypki, a przy dłuższej ekspozycji również do rozwoju astmy, przewlekłej obturacyjnej choroby płuc oraz niewydolności oddechowej. Pyły drobne przenikające do krwi zwiększają ryzyko zawału serca, udaru mózgu, nadciśnienia tętniczego i zakrzepicy żył głębokich.

Długotrwałe oddychanie smogiem sprzyja także chorobom neurologicznym. Obniża zdolność koncentracji, upośledza pamięć krótkotrwałą, obniża iloraz inteligencji u dzieci i zwiększa ryzyko demencji, w tym choroby Alzheimera. Badania wskazują ponadto na związek zanieczyszczeń z insulinoopornością, cukrzycą typu 2, uszkodzeniem nerek, a nawet obniżeniem jakości nasienia u mężczyzn na skutek uszkodzeń DNA.

Smog szkodzi również środowisku naturalnemu. Kwaśne deszcze niszczą lasy, zakwaszają gleby i zbiorniki wodne, a ozon troposferyczny uszkadza uprawy roślin, obniżając plony. Agresywne związki chemiczne przyspieszają korozję metali, niszczą elewacje budynków, a nawet włókna ubrań. Pośrednio toksyny trafiają do organizmu również z żywnością – wraz z mięsem zwierząt i roślinami, które wzrastały w skażonym środowisku.

Jak zapobiegać powstawaniu smogu?

Ograniczenie zjawiska wymaga działań systemowych oraz indywidualnych. Największy efekt daje eliminacja niskiej emisji z gospodarstw domowych, czyli wymiana starych kotłów węglowych na urządzenia spełniające aktualne normy. Istotna jest też termomodernizacja budynków, która zmniejsza zapotrzebowanie na energię cieplną i sprawia, że nowe źródło ogrzewania pracuje z mniejszą mocą. Program Czyste Powietrze oferuje dofinansowanie na wymianę źródła ciepła i ocieplenie domu, a dodatkowo można skorzystać z ulgi termomodernizacyjnej.

W codziennym życiu warto wybierać transport publiczny, rower lub poruszać się pieszo. Przy użytkowaniu samochodu pomocne są techniki ekonomicznej jazdy oraz tankowanie paliwa w godzinach porannych lub wieczornych, co ogranicza uwalnianie par węglowodorów sprzyjających tworzeniu się ozonu. Mieszkańcy miast mogą też wnioskować o zakładanie skwerów, zieleńców i parków, ponieważ rośliny pełnią funkcję naturalnego filtra powietrza.

W dni, gdy stężenia pyłów są wysokie, należy ograniczyć przebywanie na zewnątrz i zrezygnować z intensywnego wysiłku fizycznego na powietrzu. W domu sprawdza się oczyszczacz powietrza z filtrem HEPA, a osoby pracujące na zewnątrz powinny rozważyć maskę antysmogową z filtrem węglowym oznaczoną symbolem FFP3. Zwykłe maseczki chirurgiczne nie zapewniają odpowiedniej ochrony przed pyłami PM2,5.

Jakie urządzenia grzewcze ograniczają smog?

Wybór nowoczesnego źródła ciepła ma bezpośredni wpływ na jakość powietrza w okolicy. Pompy ciepła pobierają energię z odnawialnych zasobów – gruntu, wody lub powietrza, co sprawia, że ich praca nie wiąże się z emisją pyłów w miejscu zamieszkania. Alternatywą są gazowe kotły kondensacyjne, które odzyskują dodatkowe ciepło ze spalin i zużywają mniej paliwa niż urządzenia tradycyjne.

Porównanie wybranych rozwiązań pokazuje, jak bardzo różni się ich oddziaływanie na środowisko:

Nie bez znaczenia pozostaje również centralizacja systemów grzewczych. Miejskie sieci ciepłownicze podlegają bardziej rygorystycznym normom emisyjnym niż indywidualne instalacje domowe, a elektrownie i ciepłownie wyposażone są w filtry, których nie mają przydomowe kotłownie. Tam, gdzie to możliwe, warto wspierać rozwój paneli fotowoltaicznych, które pozwalają zasilać urządzenia grzewcze energią ze słońca.