Članek je vzet iz spletne revije E – novice s področja nalezljivih bolezni in okoljskega zdravja (eNBOZ), ki je last Nacionalnega inštituta za javno zdravje (NIJZ).

Izvoren članek dostopen na: eNBOZ, Januar-februar 2017.

POVZETEK

Črni ogljik se v atmosferi pojavlja kot delec in je glavna sestavina saj. Sestavlja ga skoraj čisti ogljik v več povezanih oblikah. Ima močan vpliv na podnebje, okolje in zdravje ljudi (izpostavljenost v notranjem in zunanjem okolju) (1, 2). Z zniževanjem emisij črnega ogljika lahko upočasnimo stopnjo podnebnih sprememb in zmanjšamo škodljive vplive na okolje in zdravje (2).

KAJ JE ČRNI OGLJIK?

Črni ogljik (ang. Black Carbon – BC) je trdna oblika večine čistega ogljika, ki absorbira sončno sevanje vseh valovnih dolžin. Tvorjen je naravno in antropogeno kot rezultat nepopolnega izgorevanja fosilnih goriv, bioplina in biomase. Je sestavni del saj in je med delci (ang. Particulate matter – PM) najbolj močan absorber sončne svetlobe. Črni ogljik se emitira direktno iz vira in sajam daje črno barvo, ki pa je splošno znano, da bolj črno saje bolj prispeva k segrevanju ozračja. Različni tipi saj vsebujejo različno količino črnega ogljika. Saje fosilnih goriv in biogoriv so bolj črna kot saje biomasnega izgorevanja, kjer je pri slednji na splošno več rjave barve – rjavega ogljika (ang. Brown Carbon – BrC). Saje so produkt nepopolnega izgorevanja goriv in so kompleksna mešanica z večinskim delom črnega in organskega ogljika (2, 3). Organski ogljik (ang. Organic Carbon – OC) je mešanica sestavin, kjer je ogljik vezan z drugimi elementi, kot sta vodik in kisik, med sestavni del pa spada tudi rjavi ogljik, ki absorbira le ultravijolično in vidno sončno sevanje. V atmosferi je lahko tvorjen z nepopolnim izgorevanjem ali preko oksidacije hlapno organskih spojin (ang. Volatile Organic Compounds – VOCs). Obe obliki organskega ogljika (tvorjeni primarno ali sekundarno) imata sevalne lastnosti, ki lahko svetlobo absorbirata ali jo sipata (2).

Črni ogljik je sestavni del tako fine kot grobe frakcije trdnih delcev (PM), vendar ga zaradi njegove majhnosti največkrat povezujemo in obravnavamo kot delec velikostnega razreda 2,5 µm (PM2,5). Takšni delci lahko prepotujejo nekaj tisoč kilometrov stran od izvora. Ker se črni ogljik sočasno vedno oddaja še z drugimi onesnaževali (SO2, NOx in organski ogljik), ga je potrebno pri vsakem izvoru obravnavati posebej (2). V atmosferi je vedno povezan z drugimi snovmi iz virov z notranjim zgorevanjem kot tudi z organskimi spojinami (4). Meritve črnega ogljika se opravljajo z uporabo optične metode, kjer se skozi filter ujetih zračnih delcev meri absorbirana svetloba. Najbolj razširjena metoda je izvajanje meritev s pomočjo aethalometra (3). Od elementarnega ogljika (ang. Elemental Carbon – EC) ga ločimo po tem, da se slednji običajno meri s toplotno optičnimi metodami (3, 4).

Črni ogljik je regionalno onesnaževalo s kratko življenjsko dobo, ki je v zraku obstojno od nekaj dni do nekaj tednov, najvišje emisije pa se pojavljajo v zimskem času (5). Kratka življenjska doba črnega ogljika pomeni, da so koncentracije v atmosferi najvišje blizu virov nastajanja emisij in se skozi čas in prostor precej spreminjajo. Ta visoko časovna in prostorska spremenljivost črnega ogljika precej različno vpliva na podnebje, ki pa je ravno nasprotno od CO2 in drugih toplogrednih plinov z življensko dobo daljšo od enega leta, ki spadajo med globalna onesnaževala z relativno enakomerno koncentracijo po vsem svetu. Zaradi te lastnosti imajo CO2 in ostali toplogredni plini zelo podoben vpliv na podnebje ne glede na čas ali lokacijo (2). Črni ogljik je odgovoren za več kot 30 % nedavnega segrevanja na arktiki, saj prispeva k pospešenemu taljenju arktičnega ledu. Vodi tudi k povečanemu taljenju ledenikov na himalaji, ki pa je v tisti regiji glavni vir sveže vode za milijone ljudi. Zmanjšanje snega so zaradi črnega ogljika opazili tudi v severozahodnem pacifiku združenih držav amerike (6).

VIRI ČRNEGA OGLJIKA

Črni ogljik se tvori pri nepopolnem izgorevanju fosilnih goriv, biomase in biogoriv. V zrak se emitira v obliki primarnih delcev direktno iz vira. Prisoten je tako v antropogenih, kot v naravnih sajah (1).

Glavni viri črnega ogljika so predvsem (3):
• Mobilni viri: predvsem cestna vozila na dizelski pogon, gorivo iz lokomotiv in ladij ter gradbeniški, gozdarski in kmetijski stroji;
• Stacionarni viri: segrevanje stanovanj v malih in srednje velikih kurilnih napravah, kjer je še posebej pomembno kurjenje biomase kot sta premog in les;
• Odprto biomasno izgorevanje: gozdni in drugi divji požari, kurjenjem kmetijskih odpadkov ter ostalo predpisano kurjenje.

VPLIV ČRNEGA OGLJIKA NA PODNEBJE IN OKOLJE

Delci črnega ogljika absorbirajo vse valovne dolžine sončnega sevanja in tako segrevajo ozračje in okolje. Črni ogljik je pri podnebnih spremembah za ogljikovim dioksidom drugo najpomembnejše onesnaževalo (5). Izgorevalni procesi ki proizvajajo črni ogljik, hkrati proizvajajo tudi druga onesnaževala kot so SO2, NOx in OC. Ker ima mnogo teh onesnaževal hladilni učinek, se črni ogljik pomešan z njimi občasno s temi snovmi tudi izravna (2).

Prisotnost črnega ogljika na podnebje vpliva v treh smereh:
1. Z direktnim absorbiranjem svetlobe v zraku in posledičnim segrevanjem atmosfere (2).
2. Z zmanjšanjem odbijanja svetlobe – albeda na snegu in ledu; albedo je frakcija sončnega sevanja, ki se odbija od površine ali predmetov in je običajno izražena v odstotkih. Svetlo obarvane površine imajo visok albedo (še posebej sneg in led), temne površine imajo nizek albedo (2). V normalnih pogojih se sončna svetloba od zemeljskih površin odbija, prisotnost črnega ogljika na snegu in ledu pa površino potemni in zaradi absorpcije sončne svetlobe pospešuje njuno taljenje (1, 2, 3, 5, 7, 8). Zelo občutljiva skupina na segrevanje in taljenje snega zaradi vpliva črnega ogljika in ledu sta Arktika in Himalaja (2).
3. V interakciji z oblaki; oblaki ki vsebujejo črni ogljik ujet v kapljice ali med njimi, lahko absorbirajo sončno svetlobo in tako zmanjšajo količino odbite svetlobe. Oblaki se zaradi absorbirane sončne svetlobe segrejejo in spremenijo svoje lastnosti ter stabilnost. S prisotnostjo črnega ogljika vplivajo na spremenjene vzorce padavin ter imajo od čistih oblakov tudi krajšo življenjsko dobo. Čisti oblaki in delci, ki ne absorbirajo sončne svetlobe, svetlobo razpršijo ali odbijajo in tako zmanjšajo prispelo količino svetlobe do zemeljske površine (2).

Črni ogljik povezujejo tudi s škodljivimi vplivi na ekosisteme, poslabšano vidljivostjo, zmanjšano kmetijsko proizvodnjo in z zatemnitvijo, umazanjem ter poškodbami stavb in drugih materialov (2).

VPLIV TRDNIH DELCEV IN ČRNEGA OGLJIKA NA ZDRAVJE LJUDI

Izmerjeni črni ogljik običajno tesno povezujemo s koncentracijo prašnih delcev v zraku. Fini delci (PM2,5 in manjši) so identificirani kot najbolj škodljiva zračna onesnaževala z učinkom na zdravje ljudi. Kratkotrajno in dolgotrajno izpostavljenost prašnim delcem v zraku povezujemo s širokim spektrom škodljivih vplivov na zdravje ljudi, vključno z respiratornimi in kardiovaskularnimi vplivi, ter nenazadnje tudi s prezgodnjo smrtjo (Tabela 1) (2, 9). Ocenjeno je, da PM2,5 tako v zunanji atmosferi kot v notranjem okolju povzroča prezgodnjo smrt milijonov ljudem po celem svetu. Notranji dim iz trdnih goriv uvrščajo med glavna tveganja po vsem svetu, ki prispeva približno 2 milijona smrti letno. Še posebej so ogroženi otroci in ženske. Onesnaženost zunanjega zraka je v razvitih državah uvrščena med deset najpomembnejših dejavnikov tveganja za zdravje ljudi (2).

Na povezavo med atmosferskim PM2,5 in vrsto neželenih učinkov, vključno s prezgodnjo smrtjo, povečanim sprejemov v bolnišnico ali obiskom posameznih oddelkov (za bolezni srca in bolezni dihal) kaže že veliko potrjenih raziskav (2, 10). Pri srčno žilnih vplivih so bile ugotovljene povezave med črnim ogljikom ter aritmijo; repolarizacijo prekata; spremembo krvnega pritiska; spremembo srčnega utripa; spremembo skupnega homocisteina v plasmi in motenim delovanjem žilnega endotelija. Pri respiratornih učinkih so bile ugotovljene povezave med črnim ogljikom ter razvojem astme v otroštvu; povečanim izdihom dušikovega oksida (biološki pokazatelj vnetja dihalnih poti); simptomi bronhitisa in astme; respiratornimi simptomi in pljučno funkcijo pri ženskah (2). Kratkotrajne epidemiološke študije zagotavljajo učinkovite dokaze v povezavi med dnevnim nihanjem koncentracije črnega ogljika in kratkotrajnimi zdravstvenimi spremembami (vsi vzroki; kardiovaskularna umrljivost; kardiopulmonarni sprejemi v bolnišnico). Kohortne študije zagotavljajo dokaze med povezavo kardiopulmonarne umrljivosti in dolgotrajno izpostavljenostjo črnemu ogljiku. Toksikološke študije pa ugotavljajo, da črni ogljik morda ni glavna direktna toksična sestavina finih trdnih delcev, vendar pa lahko delujejo kot univerzalni nosilec različnih kemikalij z različnim toksičnim učinkom na pljuča, glavne obrambne celice in sistemski krvni obtok (4).

UKREPI ZA ZMANJŠANJE EMISIJ TRDNIH DELCEV IN ČRNEGA OGLJIKA

Mnoge države emisije delcev (PM) in posledično emisije črnega ogljika zmanjšujejo z obstoječo nacionalno zakonodajo in predpisi, kjer je opredeljena (3):
• Zahteva rednih preizkusov na emisije iz vozil – ukrepi v primeru odstopanja: umik iz obtoka ali dodatno opremljanje (npr. filtrov za trdne delce) ter izvrševanje kazni za neupoštevanje določenih standardov;
• Prepoved ali reguliranje zažiganja gozdov in kurjenja kmetijskih odpadkov;
• Zahteva po elektrifikaciji plovil v pristanišču, uravnavanje prostega teka v terminalih in obvezni standardi za goriva plovil, ki se v pristanišča vključujejo;
• Prepoved ali reguliranje prodaje nekaterih goriv in zahteva po uporabi čistejših goriv;
• Reguliranje in/ali omejevanje kurjenja biomase v urbanem in neurbanem območju;
• Zahteva za dovoljenje delovanja industrijskih objektov in proizvajanje električne energije ter zahteva za dovoljenje za obnovo ali spremembo le teh;
• Zahteva po filtriranju in visokih temperaturah zgorevanja za že obstoječe naprave za proizvodnjo električne energije ter urejanje letnih emisij iz naprav za proizvodnjo električne energije.

Znanstveni dokazi in analize prikazujejo, da imajo nadzor nad delci črnega ogljika in hitro ukrepanje pozitivne učinke na okolje in zdravje ljudi (1).

LITERATURA:
1. United Nations Environment Programme and World Meteorological Organization. Integrated Assessment of Black Carbon and Tropospheric Ozone: Summary for Decision Makers. Geneva: United Nations Environment Programme and World Meteorological Organization 2011. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: http://www.unep.org/dewa/Portals/67/pdf/Black_Carbon.pdf
2. U.S. Environmental Protection Agency. Report to Congress on Black Carbon, Department of the Interior, Environment, and Related Agencies Appropriations Act, 2010. United States: U.S. Environmental Protection Agency 2012. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: https://www3.epa.gov/airquality/blackcarbon/2012report/fullreport.pdf
3. European Environment Agency . Status of black carbon monitoring in ambient air in Europe. EEA Technical report No 18/2013.
4. World Health Organization. Health effects of black carbon. Copenhagen, Denmark: World Health Organization 2012. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0004/162535/e96541.pdf
5. Finnish Meteorological Institute. MACEB – Mitigation of Arctic warming by controlling European black carbon emissions: English summary. LIFE09 ENV FI 000572. Helsinki, Finland: Finnish Meteorological Institute (coordinator), University of Helsinki (UHEL), Finnish Environment Institute (SYKE), Laxenburg, Austria: International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), 2009. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: www.maceb.fi
6. C2ES. What is black carbon? Center for climate and energy solutions 2010. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: https://www.c2es.org/publications/black-carbon-climate-change
7. Masiello CA. New directions in black carbon organic geochemistry. Marine Chemistry 2004; 92; 201–13.
8. Stohl A, Klimont Z, Eckhardt S et al. Black carbon in the Arctic: the underestimated role of gas flaring and residential combustion emissions. Atmos Chem Phys 2013; 13; 8833–55. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: http://www.atmos-chem-phys.net/13/8833/2013/acp-13-8833-2013.html
9. World Health Organization. Review of evidence on health aspects of air pollution — REVIHAAP, Technical report. Copenhagen, Denmark: World Health Organization 2013. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0004/193108/REVIHAAP-Finaltechnical-report.pdf
10. U.S. Environmental Protection Agency. Integrated science assessment for particulate matter. Washington DC: U.S. Environmental Protection Agency 2009. EPA/600/R-08/139. Pridobljeno 23. 1. 2017 s spletne strani: http://cfpub.epa.gov/ncea/cfm/recordisplay.cfm?deid=216546

Avtorica: Leja Forstnerič, Nacionalni inštitut za javno zdravje