نحوه ی تشکیل و تولید آلاینده های هوای آزاد

از مهم ترین آلاینده های هوای آزاد می توان به شش آلاینده معیار (شامل ازن، ذرات معلق، دی اکسید نیتروژن، دی اکسید گوگرد، سرب و مونوکسیدکربن) که تقریباً در تمام شهرهای دنیا پایش می شوند اشاره کرد. علاوه بر این، می توان به مواردی از قبیل هیدروکربن ها، ترکیبات آلی فرار و نیمه فرار، ترکیبات شیمیایی (کربن سیاه، ترکیبات آروماتیک چندحلقه ای، فلزات سنگین، کربن عنصری و …) و بیولوژیک (معروف به بیوآئروسل ها) ذرات معلق اشاره کرد.

ذرات معلق

آلاینده های متعددی در هوا وجود دارند که مهمترین آنها PM هوا هستند. در حقیقت اصطلاح PM به ترکیبی از ذرات جامد و قطرات مایع موجود در هوا گفته می شود. برخی از ذرات همانند گردوغبار، دوده یا دود به اندازه کافی بزرگ هستند که می توان بدون چسم غیر مسلح آنها را دید؛ در حالیکه سایر ذرات به اندازه‌ای کوچک هستند که تنها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی می توان آنها را مشاهده کرد. ذرات معلق هوا با توجه به اندازه آنها به انواع زیر تقسیم می‌شوند :

ذرات درشت یا PM_۱۰
ذرات ریز یا PM_۲.۵
ذرات بسیار ریز یا PM_۰.۱

بیشترین تعداد ذرات در گروه ذرات بسیار ریز که شامل ذرات معلق با قطر ۰٫۱ میکرومتر و کمتر (PM_۰.۱) هستند قرار می‌گیرند. این ذرات از نظر مساحت سطح، غالب‌ترین ذرات معلق هوا می‌باشند ولی سهم اندکی در میزان جرم کلی ذرات معلق هوا دارند. این بخش از ذرات معلق بطور عمده از احتراق ناشی شده و در مرحله دوم بعنوان ذرات ثانویه از تبدیل گاز به ذره می‌شوند. این ذرات ذاتاً ناپایدار بوده و از طریق انعقاد و فشردگی، به ذرات بزرگتر تبدیل می‌شوند. سولفات‌ها، نیترات‌ها، کربن آلی و کربن معدنی از جمله ترکیبات غالب در این ذرات می‌باشند. بدلیل اندازه بسیار کوچک این ذرات معلق بسیار ریز و نفوذ آنها از دیواره هوا ـ خون در کیسه‌های هوایی، این ذرات دارای اثرات بهداشتی متعددی می‌باشند. PM_۲.۵ شامل ذراتی هستند که قطر آنها به طور معمول ۲٫۵ میکرومتر و کمتر است و در مقایسه با متوسط قطر موی انسان که حدود ۷۰ میکرومتر است تقریبا ۳۰ برابر کوچکتراند (شکل شماره۱). ذرات ریز اساساً حاوی ذراتی هستند که در اثر احتراق ایجاد شده‌اند و یا ناشی از انعقاد و فشردگی ذرات ثانویه بوجود می‌آیند. PM_۱۰ شامل تمام ذرات (ذرات بسیار ریز، ذرات ریز و ذرات درشت) دارای قطر ۱۰ میکرومتر و کمتر می‌شوند و قادرند از اولین سد دفاعی بدن (بینی و گلو) عبور کرده و به ریه‌ها رسیده و در آنجا رسوب کنند و به همین علت به آنها ذرات قابل استنشاق اتلاق می گردد. همانطورکه اشاره شد، PM هوا شامل ترکیب پیچیده‌ای از ترکیبات جامد و مایع آلی و معدنی معلق از قبیل سولفات ها، نیترات ها، کربن آلی، کربن معدنی و … در هوا می‌باشند. کربن سیاه (Black Carbon) یکی از مهم ترین اجزا یا ترکیبات تشکیل دهنده PM_۲.۵ می باشد. در حقیقت ۹۰ درصد از ذرات BC در گروه PM_۲.۵ و ذرات بسیار ریز قرار می گیرند. این آلاینده که مشهور به ذرات کربن دار است از احتراق ناقص سوخت های فسیلی و سوخت های بیولوژیک تولید می شود. در سطح جهانی، سوختن توده های زیستی بزرگترین منبع این آلاینده می باشد در صورتیکه در محیط های شهری احتراق سوخت های فسیلی منبع اصلی این آلاینده ذکر شده است.

شکل شماره ۱٫ مقایسه PM۱۰ و PM۲.۵ با متوسط قطر موی انسان.

بیوآئروسل‌ها در واقع ذرات با منشاء بیولوژیکی تعریف می‌شوند که به عنوان مثال می‌توان به ویروس‌ها، سلول باکتری‌ها و اسپور آنها، قارچ‌ها و اسپورهای قارچی و دانه‌های گرده و همچنین ترکیباتی که تولید می‌کنند اشاره کرد. همچنین اغلب شامل تک‌یاخته‌ها، موی پستانداران و ترکیبات تولیدی ناشی از باکتر‌ی‌ها مثل اندوتوکسین‌ها که پلی‌ساکاریدی هستند و یا مایکوتوکسین‌های قارچی می‌شوند. مقدار قابل توجهی از مواد قارچی از قبیل آلرژن‌ها (گلوکان) و مایکوتوکسین‌ها می‌توانند باعث واکنش‌های آلرژیک، آسم، ورم غشاء مخاط بینی و دیگر اثرات مرتبط با سلامتی شوند. از دیدگاه علم آئروسل‌شناسی و میکروبیولوژی، رایج‌ترین تحقیقات در مورد ویروس‌ها، باکتری‌ها، قارچ‌ها و گرده گیاهان صورت می‌گیرد که مهمترین نوع از بیوآئروسل‌ها، باکتری‌ها و اسپورهای قارچی ذکر شده است. کمتر از ۱۰ درصد از باکتری‌های منتقله توسط هوا قابل رشد هستند و برای اسپورهای قارچی بیشتر از این مقدار گزارش شده است. حدوداً ۷۰۰۰۰ از ۱٫۵ میلیون قارچ، شناسایی شده‌اند و بیش از ۱۷۰۰ جنس از باکتر‌ی‌ها شناسایی شده‌اند. دو گروه از باکتر‌ی‌ها بر اساس توانایی دیواره سلولی آنها در حفظ رنگ کریستال ویوله وجود دارد:

گرم مثبت: به عنوان مثال باسیلوس
گرم منفی: به عنوان مثال لژیونلا

بیوآئروسل‌ها در هر دو محیط داخل و خارج ساختمان حضور دارند. باکتری‌ها به علت اندازه‌ای که دارند مدت زمان زیادی(چندین روز) در اتمسفر به صورت معلق باقی می‌مانند و می‌توانند توسط باد تا مسافت‌های طولانی منتقل شوند. آنها ممکن است توسط جریان هوا به سمت بالای جو حرکت کرده و تا چندین روز در آنجا باقی بمانند تا اینکه توسط بارش و یا ترسیب بر روی سطوح، از اتمسفر حذف شوند. همچنین اسپورهای تعدادی از قارچ‌ها تا ارتفاع ۱۱ کیلومتری اتمسفر شناسایی شده است. فعالیت متابولیک باکتری‌ها تا ارتفاع ۷۰-۲۰ کیلومتری اتمسفر شناسایی شده است. بنابراین بیوآئروسل‌ها یک بخش جدایی ناپذیر از بیوسفر هستند. بر طبق گزارش Jaenick و Andras gelencser به ترتیب ۵۰-۵ و ۳۰ درصد از ذرات بزرگتر از ۰٫۲ میکرومتر موجود در اتمسفر، دارای منشاء بیولوژیکی هستند. غلظت زمینه بیوآئروسل‌ها به صورت جدول شماره۱ ارائه شده است.

جدول شماره ۱٫ غلظت زمینه بیوآئروسل‌ها.

بیوآئروسل‌ها به دو صورت طبیعی و مصنوعی تشکیل می‌شوند. از منابع طبیعی تشکیل بیوآئروسل‌ها می‌توان به سطوح مختلفی به عنوان مثال آب، خاک، پوشش گیاهی و البته موجودات زنده اشاره کرد. بیشتر اسپور باکتری‌ها و قارچ‌ها از سطوح گیاهان منتشر می‌شوند. بیشتر میکروارگانیسم‌ها از قبیل باکتری‌های گرم منفی، اکتینومیست‌ها و جلبک‌ها از منابع طبیعی و مصنوعی آب منتشر می‌شوند. قطرات ناشی از باران و فرآیندهایی که بعد از تبخیر مایعات مثل بالا رفتن بخار آب و ترکیدن حباب‌های آن رخ می‌دهد ممکن است حاوی بیوآئروسل‌ها باشند که باعث ورود آنها به اتمسفر می‌شود. محیط‌های کشاورزی باعث تولید سطح بالایی از اسپورهای قارچی و اکتینومیست‌ها می‌شود. مدفوع پرندگان و جوندگان می‌تواند یک منبع از عوامل ویروسی و قارچی باشد. از منابع مصنوعی می‌توان به استفاده‌های تجاری از میکروارگانیسم‌ها به طور مثال در تولید محصولات دارویی، آنزیم‌ها و مواد غذایی اشاره کرد و همچنین انواع باکتر‌ی‌ها و عوامل بیماری‌زا ویروسی منتشر شده از مراکز و تاسیسات مراقبت‌های بهداشتی و درمانی از دیگر منابع تولید محسوب می‌شود. فعالیت‌های انسانی از قبیل تصفیه‌خانه فاضلاب، نگهداری و پرورش دام و طیور، فرآیندهای تخمیر و فعالیت‌های کشاورزی باعث وارد شدن میکروارگانیسم‌ها به اتمسفر می‌شود. در بسیاری از محیط‌های داخلی منبع اصلی باکتر‌ی‌های موجود در هوا انسان‌ها و یا حیوانات می‌باشد. یکی از منابع عمده تولید بیوآئروسل‌ها در ساختمان‌ها سیستم تهویه مطبوع (سرمایش و گرمایش) به علت رطوبت بیش از حد می‌باشد. زمانیکه منابع مهم تولید بیوآئروسل‌ها در محیط بیرون و داخل موجود نباشد مهمترین پارامتر تاثیرگذار بر روی غلظت بیوآئروسل‌های محیط داخل حضور افراد می‌باشد. تعداد باکتری‌های موجود درخاک‌های سطحی می‌تواند از ۱۰۱۰ سلول در هر گرم خاک تجاوز کند که به طور معمول حدود ۱۰۸-۱۰۷ سلول از آنها بر روی محیط کشت‌های استاندارد قابلیت رشد کردن را دارند. Torsvik و همکاران تخمین زدند که بیش از ۴۰۰۰ جنس مختلف می‌تواند در هر گرم خاک حضور داشته باشد. تک‌یاخته‌ها و جلبک‌ها همچنین به همراه قارچ‌ها در خاک حضور دارند.۱۰۶-۱۰۳ سلول در هر گرم خاک برای تک‌یاخته‌ها و جلبک‌ها و ۱۰۶-۱۰۵ سلول در هر گرم خاک برای قارچ‌ها می‌باشد. میکروارگانیسم‌های خاک می‌توانند در طول اختلاط مکانیکی خاک مانند شخم زدن زمین‌های کشاورزی یا طوفان‌های گرد و غبار به اتمسفر منتشر شوند. ۱۰۴ باکتری و ۱۰۴ – ۱۰۳ قارچ در هر متر مکعب هوای مناطق با پوشش گیاهی وجود دارد. ۰٫۰۰۱ تا ۰٫۱ درصد از باکتری‌های موجود در دریا و ۰٫۲۵ درصد از باکتری‌های موجود در آب شیرین قابل کشت هستند، در صورتیکه این مقدار برای خاک ۰٫۳ درصد ذکر شده است. همچنین حجم باکتری‌های دریایی(۰٫۰۷۳ – ۰٫۰۳۶ میکرومتر مکعب) کمتر از باکتری‌های موجود در خاک است. اندازه‌گیری‌ها نشان داده است میانگین غلظت باکتری‌ها در اتمسفر سطح زمین بیش ازcells m−۳ ۱۰۴ ×۱ می‌باشد در حالیکه غلظت آنها در اتمسفر سطح دریا پایین‌تر از سطح زمین ( cells m −۳۱۰۰۰-۱۰۰) می‌باشد. انتشار سالانه آئروسل‌های بیولوژیکی به صورت جدول شماره ۲ می‌باشد. انتشار سالانه انواع اصلی آئروسل‌ها در جدول شماره۳ ارائه شده است.

جدول شماره ۲٫ میزان انتشار سالانه بیوآئروسل‌های باکتریایی و قارچی.

جدول شماره ۳٫ میزان انتشار سالانه انواع آئروسل‌ها.

ازن

گاز ازن (O۳) یکی از مهمترین آلاینده های معیار هوا است که از سه اتم اکسیژن تشکلی شده است. ازن در هر دوی اتمسفر فوقانی و در سطح زمین حضور دارد. ازن می تواند “خوب” یا “بد” باشد و این بستگی به جایی دارد که حضور داشته باشد. ازن “خوب” یا ازن استراتوسفری در اتمسفر قوفانی تشکیل می‌شود و در آنجا وجود دارد و در واقع یک لایه محافظتی برای ما در برابر پرتوهای فرابنفش مضر خورشید محسوب می‌گردد. این لایه مفید ازن توسط مواد شیمیایی انسان ساخت دچار تخریب شده است و به اصطلاح تحت عنوان ” سوراخ در لایه ازن” شناخته می‌شود و خبر خوشحال کننده این است که این تخریب رو به کاهش است.

ازن سطح زمین که تحت عنوان ازن “بد” شناخته می شود یک آلاینده مضر برای سلامتی است چراکه سبب آسیب به سلامت انسان و محیط زیست می شود. ازن سطح زمین یکی از اجزای اصلی اسماگ فتوشیمیایی و از واکنش نور خورشید با پیش سازهای آن (اکسیدهای نیتروژن (NOx)، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و CO) تشکیل می شود. بنابراین بیشترین مقادیر ازن در شرایط آفتابی تشکیل می‌شود.

ازن اکسیدکننده بسیار قوی است که شاخص اکسیدان های فتوشیمیایی می‌باشد. غلظت‌های حداکثر ازن در بعد از ظهر رخ می‌دهد و به طور کلی یک آلاینده تابستانه (Summer time air pollutant) است. غلظت‌های حداکثر ازن در سطح زمین بندرت دو تا سه ساعت دوام دارد. نیمه عمر این آلاینده در ºC 20 حدود سه روز است. همچنین ازن از طریق دستگاه‌های تصفیه هوا (Air cleaners)، لامپ‌های UV، ماشین‌های فتوکپی و پرینترهای لیزری در محیط‌های بسته تولید و در هوا منتشر می‌شود. اقدامات کنترلی برای کاهش غلظت ازن تروپوسفری عمدتاً بر انتشار پیش‌سازهای ازن (NOx و VOCs) متمرکز است. بالاترین غلظتهای O۳ در مناطق آلوده شهری و در مجاورت منابع انتشار پیش سازهای آن نظیر ترافیک وجود ندارد بلکه در حومه مناطق شهری و روستایی و در پایین دست منابع اصلی آلودگی مشاهده می شود.

دی‌اکسید نیتروژن

دی‌اکسید‌نیتروژن(NO۲) یکی از گروه گازهای بسیار واکنش‌پذیر تحت عنوان اکسیدهای نیتروژن (NOx) است. دیگر اکسیدهای نیتروژن شامل اسید نیتروس و اسید نیتریک است. اغلب از NO۲ به عنوان شاخص این گروه از اکسیدهای نیتروژن در هوا استفاده می شود. NO۲ به سرعت از انتشارات حاصل از اتومبیلها، کامیونها، اتوبوسها و نیروگاهها تشکیل می شود. NO۲ علاوه بر اینکه در تشکیل ازن سطح زمین و ذرات ریز نقش دارد سبب اثرات مخربی بر سیستم تنفسی می شود. هفت نوع اکسید نیتروژن در هوای آزاد حضور دارند که شامل اکسید نیتریک(NO)، NO۲، اکسید نیتروس(N۲O) ، NO۳، N۲O۳، N۲O۴، N۲O۵ می‌شوند. اکسید نیتریک و دی‌اکسید‌نیتروژن جمعاً به NOx معروف‌اند که این به دلیل قابلیت تبدیل متقابل این دو در واکنش‌های اسماگ فتوشیمیایی می‌باشد. در واقع NO۲ هم آلاینده اولیه و هم ثانویه است. از اکسیدهای نیتروژن، NO۲ بالاترین غلظت را در هوای آزاد دارد. NO۲ به رنگ قرمز مایل به نارنجی نزدیک به قهوه‌ای و دارای نقطه جوش ºC 21.1 و فشار جزئی کم است که آن را در حالت گازی نگه می‌دارد. این گاز خورنده، اکسیدان قوی و از نظر فیزیولوژیکی محرک مجاری تحتانی تنفسی و سمی است. سمیت آن چندین برابر NO است. مهم‌ترین منابع انسانی انتشار NO۲ فرآیندهای احتراق نظیر وسایط نقلیه، سیستم‌های گرمایش و نیروگاه‌ها می‌باشد. منبع عمده دی‌اکسید ازت در مناطق شهری حمل و نقل است. غلظت NO۲ در طول شبانه‌روز متغیر است. پخت و پز داخل اماکن با گاز طبیعی منبع عمده NO۲ در محیط بسته به شمار می‌رود. NO۲ منبع اصلی آئروسل‌های نیترات است که بخش مهمی از PM۲.۵ را تشکیل می‌دهند.

دی‌اکسید گوگرد

دی‌اکسیدگوگرد (SO۲) یکی از گروه گازهای واکنش‌پذیر تحت عنوان اکسیدهای گوگرد است. میزان انتشار این آلاینده در امریکا بین سالهای ۱۹۹۰ تا ۲۰۱۴ به میزان ۷۹ درصد کاهش یافته است. SO۲ یک گاز بی رنگ با بوی تند است که از احتراق سوختهای فسیلی (زغال سنگ و نفت و محصولات آن) و ذوب سنگهای معدنی حاوی گوگرد تولید می شود. مهمترین منشاء انتشار این آلاینده احتراق سوختهای فسیلی حاوی گوگرد برای گرمایش منازل، تولید برق و وسایط نقلیه موتوری است. مقدار گوگرد در سوخت‌ها و فرآورده‌های نفتی با هم تفاوت دارد. نفت کوره یا مازوت بین ۲٫۵ تا ۳٫۵ درصد و گازوئیل بین ۰٫۵ تا ۱ درصد گوگرد دارد ولی گوگرد بنزین ناچیز است. زغال‌سنگ بین ۰٫۱ تا ۴ درصد گوگرد به صورت پیریت آهن (FeS۲) دارد. اکسیدهای گوگرد در ترکیب با مواد معلق و رطوبت زیانبارترین اثرات مرتبط با آلودگی هوای اتمسفری را ایجاد می‌کنند. متأسفانه به اثبات رسیده است که مجزا کردن اثرات ناشی از دی‌اکسیدگوگرد به تنهایی مشکل می‌باشد.

مونوکسیدکربن

مونوکسیدکربن (CO) گازی بی‌رنگ، بیبو که از فرآیندهای احتراق منتشر می‌شود. منشاء اصلی CO در مناطق شهری منابع متحرک (وسایط نقلیه موتوری) می باشند. CO می‌تواند از طریق کاهش انتقال اکسیژن به ارگانها (نظیر قلب و مغز) و بافتهای بدن سبب اثرات مضری بر سلامت شود و حتی در مقادیر بالا سبب مرگ شود.

[۱] – ذراتی که دارای قطر آئرودینامیکی کمتر و مساوی چهار میکرون می‌باشند.