(CFCs) i SF6 w atmosferze Polski.
Transkrypt
(CFCs) i SF6 w atmosferze Polski.
Ocena skuteczności międzynarodowych porozumień na stężenie związków chlorowcowych (CFCs) i SF6 w atmosferze Polski. Ireneusz ŚLIWKA1, Jan LASA1, Iwona Grombik1, Danuta Limanówka2 1 Instytut Fizyki Jądrowej PAN, ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, ul. Piotra Borowego 14, 30-215 Kraków 2 Streszczenie: Związki chlorowcowe (freony) występujące jako gazy śladowe w atmosferze, mają wpływ na ubytek stratosferycznego ozonu oraz na nasilanie się efektu cieplarnianego. W pracy przedstawiono wyniki ciągłych pomiarów stężeń związków chlorowcowych CCl2F2 (F-12), CCl3F (F-11), CCl2FCClF2 (F113), CHCl3, CH3CCl3 , CCl4 oraz SF6 w Krakowie w latach 1997-2007. Omówiono też tendencje zmian stężeń tych związków, w świetle ustawy o postępowaniu z substancjami zubożającymi warstwę ozonową, która w Polsce weszła w życie 1.07.2002. 1. Wprowadzenie Odkrycie chromatografii, dokonane przed 100 laty w Warszawie na początku ubiegłego wieku przez M.S. Cwieta, zapoczątkowało rozwój metod analitycznych, które pozwoliły ludzkości przewidzieć i zapobiec zagrożeniom, jakie niósł rozwój jej cywilizacji. Największy wkład w badaniach nad skażeniem środowiska ma chromatografia gazowa, powstała dopiero po II wojnie światowej w latach 50-tych ubiegłego wieku w wyniku prac Jamesa i Martina w Anglii. Od tego czasu wśród instrumentalnych metod analizy ilościowej i jakościowej zajmuje ona jedną z czołowych pozycji jako stosunkowo szybka i czuła fizykochemiczna metoda analityczna. W 1958 roku Lovelock [1] opracował radiojonizacyjny detektor, nazwany później detektorem wychwytu elektronów (Electron Capture Detector – ECD). Pojawienie się detektora ECD pozwoliło, począwszy od lat 60-tych, na śledzenie skażenia środowiska naturalnego człowieka przez związki chlorowcowe. Okazało się, że skażenie biosfery przez te związki w postaci pestycydów czy polichlorowanych bifenyli stale wzrasta i staje się problemem o coraz większym znaczeniu z punktu widzenia jej ochrony. Detektor umożliwił badanie obiegu w przyrodzie środka owadobójczego DDT oraz innych pestycydów stosowanych masowo w rolnictwie po II wojnie światowej. W wyniku tych badań wprowadzono zakaz stosowania tych środków, ponieważ przenikają do żywności i są szkodliwe dla człowieka. Stwierdzono, że związki te mają własności mutagenne i karcerogenne przy długotrwałym oddziaływaniu na organizm człowieka, a na przykład dioxyny są niezwykle silnymi toksynami. Innym zagrożeniem o skali globalnej, które zostało odkryte w latach 70-tych w wyniku stosowania detektora ECD w badaniach atmosfery, były związki chlorowcowe (chlorofluorocarbonsCFCs) tzw. freony. Freony emitowane do troposfery przez przemysł rozpuszczalników, czynników chłodniczych i klimatyzacyjnych czy przez przemysł kosmetyczny dezodorantów, nie ulegają w niej rozpadowi, tylko dyfundują swobodnie do stratosfery. Tam pod wpływam promieniowania słonecznego ulegają dysocjacji, uwalniając atomy chloru. Te reagując z ozonem powodują jego rozpad, a tym samym ubytek w stratosferze. Hipoteza destrukcji ziemskiej warstwy ozonowej przez freony przedstawiona została po raz pierwszy przez Rowlanda i Molinę w 1974 roku. Potencjalna możliwość zniszczenia ziemskiej warstwy ozonowej przez antropogeniczne związki chlorowcowe wywołała zaniepokojenie międzynarodowej społeczności objawiające się działaniami, których celem była i jest ochrona naturalnego środowiska. W latach 70-tych powstało w ramach programu Advanced Global Atmospheric Gas Experiment (AGAGE) szereg stacji pomiarowych [2,3] w różnych punktach na Ziemi śledzących zmiany stężenia freonów w atmosferze, w których chromatografy gazowe z detektorami ECD stanowią główne wyposażenie. Hipoteza destrukcji warstwy ozonowej spowodowała intensyfikację prac badawczych nad tym problemem, które doprowadziły do odkrycia w 1987 roku tzw. dziur ozonowych na biegunach polarnych. W ich centrach stwierdzono wysokie stężenia tlenków chloru, co potwierdzało tę hipotezę. Prowadzone działania międzynarodowe spowodowały, że produkcja i emisja freonów do atmosfery została prawie całkowicie zaprzestana (Protokół montrealski, 1987). Natomiast S. Rowland i M. Molina oraz z P. Crutzen otrzymali w 1995 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za wyjaśnienie procesów chemicznych mających wpływ na warstwę ozonową, pozwoliło to zapobiec kryzysowi ekologicznemu o potencjalnie katastrofalnych następstwach. Na rysunku 1 przedstawiono ważniejsze fakty związane z ochroną ziemskiej warstwy ozonowej. Stężenie F11, F12, F113 i CH3CCl3 , ppt 600 500 400 300 A - Odkrycie chromatografii gazowej B - Odkrycie detektora ECD C - Pierwszy pomiar freonów w atmosferze D - Hipoteza o destrukcji ozonu w stratosferze E - Protokół montrealski F - Nagroda Nobla dla Rowlanda, Moliny, Crutzena 200 A B C D F12 F11 F113 CH3CCl3 E F 100 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Czas, lata Rys.1 Ważniejsze fakty związane z ochroną ziemskiej warstwy ozonowej na tle zmierzonych stężeń niektórych freonów w ramach programu AGAGE. Postanowienia Protokołu montrealskiego z 1987 roku, ograniczają wielkość zużycia CFCs z poziomu roku 1989 o 35% po roku 2004, o 90% po roku 2015 oraz planuje się całkowitą redukcję ich zużycia po roku 2030. Badanie globalnych tendencji zmian stężeń freonów w atmosferze w ramach programu AGAGE wykazuje, że ograniczenie światowej produkcji freonów skutkuje spadkowymi tendencjami stężeń badanych związków w atmosferze. Jakkolwiek pomiary stężenia SF6 w powietrzu wskazują, ze jego stężenie ciągle wzrasta. Wielkość stężeń freonów i SF6 w powietrzu Europy jest określana na podstawie pomiarów ze stacji Mace Head (Irlandia), pracującej w sposób ciągły w programie AGAGE od 1987 roku. W Europie Środkowej tego typu ciągłe pomiary są prowadzone w Krakowie od 1997 roku. 2. Pomiary stężeń związków chlorowcowych w powietrzu Krakowa Z rysunku 1 wynika, że już od ponad 30 lat na świecie badany jest wzrost stężenia freonów (F-11, F-12), które głównie obarcza się odpowiedzialnością za ubytek ozonu w stratosferze. Prowadzone są też pomiary stężenia innych związków chlorowcowych takich jak freon F-113, chloroform, 1,1,1trichloroetan, czterochlorek węgla czy SF6, które występują obecnie w troposferze w stężeniach odpowiednio 80 ppt, 20 ppt, 15 ppt , 100 ppt i 6 ppt [4]. Pomiary stężeń wymienionych związków prowadzone są metodą chromatografii gazowej z zastosowaniem detektora wychwytu elektronów (ECD). Wynika to z faktu, ze zakres stężeń w jakim występują te związki chlorowcowe w powietrzu jest odpowiedni do możliwości detekcyjnych tego detektora [1]. Układ do ciągłych pomiarów stężenia związków chlorowcowych w powietrzu został zbudowany w Zakładzie Fizykochemii Ekosystemów Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie w ramach realizowanego w latach 1995-97 projektu badawczego 3 TO9B 120 08 finansowanego przez KBN. Natomiast przedstawione poniżej rezultaty badań są też częściowo wynikiem projektu badawczego 7 T09D 042 21realizowanego w latach 2001-03 finansowanego przez KBN [5]. 2 2.1 Opis układu pomiarowego Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 2. Do analizy związków chlorowcowych zastosowano chromatograf firmy Fisons serii 8000 wyposażony w detektor wychwytu elektronów (ECD) pracujący w systemie stałego prądu jonizacyjnego. Chromatograf wyposażono w zawór 10-cio drożny napędzany pneumatycznie, do którego przyłączone są kolumny analityczne K1 Pobór próbki powietrza znad dachu budynku Uziemienie Pipeta z badaną Izolująca próbką powietrza rurk a szklana Manometr Pompa r otacyjna Zawór Zawór V6 Pompka membranowa Rurka nafionowa Z4 Z3 ECD Z1 ZD Z2 EL V10 Powietrze sterujące Standard K1 K2 Siłownik N2 Zawory Z1, Z2, Z3 i Z4 sterowane przez komputer Vp Chromatograf FISONS Rys. 2. Schemat układu pomiarowego (opis w tekście) i K2 pracujące w systemie „back flush”. Zawór 6-cio drożny pozwala na zmianę systemu pracy chromatografu. W zależności od położenia zaworu pętla dozująca Vp może być napełniana próbką powietrza pobieraną znad dachu budynku laboratoryjnego, zasysaną przez pompę membranową lub może być napełniana standardem wtórnym z butli pod własnym ciśnieniem wynoszącym 0,5 atm. W drugim położeniu zaworu 6-cio drożnego pętla dozująca może być napełniana powietrzem z pipety pomiarowej po uprzednim odpompowaniu pompą rotacyjną. Kolumny K1 i K2 posiadają odpowiednio długość 0.6m i 3m, średnicę 4 mm i wypełnione są 10% SP2100 na Supelcoporcie 80/100 mesh. Trójdrożne zawory elektromagnetyczne Z1 i Z2 sterują pracą zaworu 10-cio drożnego, natomiast trójdrożne zawory Z3 i Z4 przełączają zasilanie pętli Vp analizowanym powietrzem lub standardem. Sygnał detektora rejestrowany jest przez komputer, który steruje również pracą zaworów elektromagnetycznych w ustalonym cyklu czasowym. Zastosowane kolumny chromatograficzne pozwalają na analizę freonu F-11, F-113, CHCl3, CH3CCl3 i CCl4 w czasie około 13 minut. Analizy realizowane są w cyklu trwającym 30 minut w sekwencji: standard - próbka powietrza - standard próbka powietrza itd. z częstością 24 analiz próbek powietrza na dobę. W 1999 układ został rozbudowany o drugi tor pomiarowy zawierający nowy zestaw kolumn K1 i K2 o długości 3m i 1m i o średnicy 4mm, wypełnionych sitem cząsteczkowym 5A, 80-100 mesh, co pozwalało na pomiar stężeń SF6 i F-12. Przykład analizy próbki powietrza w torach A i B przedstawiono na rysunku 3. Układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 2 jest sterowany komputerowo z zastosowaniem programu ChemStation firmy Perlan Technology. Próbka powietrza i wzorca dozowana jest przemiennie w odstępach 30 minutowych. Chromatogramy próbki powietrza i 3 Rys.3. Przykłady analiz chromatograficznych związków chlorowcowych CFCs obecnych w atmosferze, (ppt = 10 ppm). -6 wzorca zawierające w swoich sekwencjach piki freonu F-11, F-113, chloroformu, 1,1,1-trichloroetanu, CCl4 (tor B) oraz SF6 i F-12 (tor A) rejestrowane są w programie komputera. Powierzchnie wymienionych pików uzyskane w wyniku całkowania programem ChemStation zapisywane są w arkuszu programu Excel. Kolejne kolumny arkusza Excel zawierają datę i godzinę analizy, czas retencji, wysokość i powierzchnię każdego z wymienionych składników próbki powietrza i wzorca. Jako wzorzec stosowane jest powietrze Firmy Linde skalibrowane uprzednio w oparciu o zakupiony w USA wzorzec. Szczegółowy opis pomiarów i dane wzorca pierwotnego zawarte są w pracach [1,4,5]. 2.2. Wyniki pomiarów Matematyczna procedura [6] obróbki danych pomiarowych uzyskanych w wyniku badań w latach 1997-2007, pozwoliła na wyznaczenie tendencji stężeń freonu F-11, F-12 [7], F-113 [8], chloroformu [9], 1,1,1-trichloroetanu [10], czterochlorku węgla [11] i SF6 [12] w powietrzu Krakowa. 600 Stężenie F11, ppt 500 Kraków, F11 y = 269.0 - 3.2x Początek obowiązywania w Polsce postanowień Protokołu montrealskiego (1.07.2002) 400 300 200 Średnia dobowa 100 Linia regresji ważonej Średnia miesięczna 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Lata Rys. 4. Średnie dobowe i średnie miesięczne stężenia F-11 mierzone w Krakowie w latach 1997-2007. Linia regresji y=a+bx jest obliczona metodą regresji ważonej. 4 600 Średnia dobowa Stężenie F113, ppt 500 Kraków, F113 y = 81.2 + 1.1x 400 Linia regresji ważonej Średnia miesięczna Początek obowiązywania w Polsce postanowień Protokołu montrealskiego (1.07.2002) 300 200 100 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Lata 1500 3800ppt Średnia dobowa Linia regresji ważonej Stężenie CHCl3, ppt 1200 Średnia miesięczna 900 Początek obowiązywania w Polsce postanowień Protokołu montrealskiego (1.07.2002) Kraków, CHCl3 y = 42.8 - 1.3x 600 300 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Lata Stężenie CH3CCl3, ppt 200 150 Średnia dobowa Kraków, CH3CCl3 y = 90.1exp(-x/5.3) Linia regresji ważonej Średnia miesięczna 100 Początek obowiązywania w Polsce postanowień Protokołu montrealskiego (1.07.2002) 50 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Lata Rys. 5. Jak na rys.1 dla F-113, CHCl3, CH3CCl3. 5 1000 Średnia dobowa 800 Linia regresji ważonej S tężenie CCl4 , ppt K rakó w , C C l4 y = 99.8 + 0.95x Średnia miesięczna 600 Początek obowiązywania w Polsce postanowień Protokołu montrealskiego 400 200 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 L ata 25 55 ppt Ś rednia dobowa S tężenie SF6, ppt 20 15 L in ia reg resji w ażonej S F6 K rakó w y = 3.9 7 + 0.22x Ś rednia miesię czna P o czątek obowiązywania p o stan o w ień Protokołu z K io to (16 .02.2005) 10 5 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 L ata 1800 Kraków, F12 y = 540.7+4.9x-0.75x^2 1600 Stężenie F12, ppt 1400 Początek obowiązywania w Polsce postanowień Protokołu montrealskiego (1.07.2002) 1200 1000 800 600 400 Średnia dobowa 200 Linia regresji ważonej Średnia miesięczna 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Lata Rys. 6. Jak na rys.1 dla CCl4, SF6, F-12. 6 W obliczeniach chwilowych pojedynczych stężeń tych związków stosowano metodę pięciopunktową Lagrange`a interpolacji czułości detekcji uznaną jako najbardziej efektywną przy obecnej stabilności aparatury pomiarowej [13]. Wartości rocznych tendencji dla poszczególnych CFCs oraz ich średnich stężeń w lipcu 1997 r. wyznaczonych metodą regresji ważonej dla funkcji liniowej zawarto w tabeli 1. Na rysunkach 4-6 przedstawiono wyniki mierzonych w Krakowie zmian średniego dobowego i średniego miesięcznego stężenia dla badanych freonów w latach 1997-2007. Tabela 1. Roczna tendencja (b) za okres 07.1997 – 03.2007 oraz parametr (a) obliczony w dniu 1.07.1997 ( obliczenia dla funkcji liniowej y=a+bx) Stacja Związek F-11 F-113 CHCl3 CH3CCl3* CCl4 F-12* SF6 Kraków (50oN, 20oE, 250 m npm) b, ppt/rok a, ppt -3.2 0.1 + 1.1 0.1 - 1.3 0.2 - 4.4 0.2 + 0.95 0.1 -1.3 0.1 +0.22 0.01 269.0 81.2 42.8 35.8 99.8 546.5 3.97 0.3 0.2 0.9 0.3 0.5 0.6 0.01 * (b) za okres 07.2002- 03.2007 oraz (a) obliczone w dniu 1.07.2002. Jak wynika z rysunków 4-6 mierzone stężenia badanych związków cechuje sezonowa zmienność. Na tle tych zmian cztery z nich (F-11, F-12, CHCl3, CH3CCl3) ma tendencję spadkową stężeń, a dla trzech (F113, CCl4, SF6) stężenie wolno wzrasta (tabela.1). Związki F-113, CHCl3 i CCl4 odznaczają się znacznie większą amplitudą sezonową zmian stężeń, niż pozostałe. Zmiany te są dobrze widoczne pomiędzy sezonem zimowym i letnim, przy czym wyraźny wzrost stężeń obserwuje się w miesiącach jesienno-zimowych. Przykładowo w przypadku F-113 i CCl4 (rysunki 5, 6) najwyraźniej widać to w lutym 2000, a następnie od listopada 2000 do lutego 2001 i od października do listopada 2001. Jak wynika z rysunków 5 i 6 wzrost koncentracji stężeń badanych związków w atmosferze może być związany z przeważającymi kierunkami wiatru na terenie Polski, tj. z napływem nad Kraków powietrza z sektora zachodniego w okresie jesienno-zimowym. Stąd można przypuszczać, że obserwowane wzrosty stężeń w sezonach zimowych pochodzą spoza rejonu Krakowa. Największa ilość tych związków może dopływać z rejonu aglomeracji Śląska lub nawet dalej spoza Polski tj. z rejonu Niemiec i Czech. Jest to efektem przeważających w tym czasie kierunków napływu powietrza z zachodu w tym regionie Europy (40%). Zanieczyszczenie powietrza tymi związkami transportowane nad Kraków z rejonu Ukrainy, Białorusi, czy Rosji wydaje się do pominięcia, gdyż napływ powietrza ze wschodu jest najmniejszy (5%). Na podstawie prowadzonych badań (rysunki 4-6) można zauważyć, że począwszy od drugiej połowy roku 2002 obserwuje się znaczący spadek częstotliwości przekroczeń stężeń bazowych w powietrzu dla badanych związków CFCs. Fakt ten można łączyć z początkiem obowiązywania w Polsce ustaleń Protokołu Montrealskiego tj. uchwaleniem przez Sejm RP ustawy o postępowaniu z substancjami zubażającymi warstwę ozonowa [14]. Uzyskane wyniki są udokumentowanym doświadczalnie wpływem polityki państwa na stan środowiska, w tym na stan atmosfery w zakresie stężeń związków CFCs. Badania te wskazują, że w Polsce i tym samym w Europie środkowej ograniczenia Protokołu Montrealskiego wprowadzone 1.07.2002 są respektowane. 3. Podsumowanie Uzyskane w wyniku 10-letnich badań dane dotyczące obserwowanych tendencji badanych związków CFCs (tabela 1) wskazują, że cztery z nich (F-11, F-12, CHCl3, CH3CCl3) mają tendencję spadkową stężeń, a dla trzech (F113, CCl4, SF6) stężenie wolno wzrasta. Obserwowana sezonowa zmienność stężeń tych związków wskazuje, że obszar Krakowa i Polski południowej podlega antropopresji w zakresie emisji tych związków oraz, że część z nich pochodzi 7 spoza rejonu Krakowa, ponieważ koreluje z kierunkami napływu mas powietrza z sektora zachodniego w okresie jesienno- zimowym. Uzyskane wyniki są udokumentowanym doświadczalnie wpływem polityki państwa na stan środowiska, w tym na stan atmosfery w zakresie stężeń związków CFCs. Badania te wskazują, że w Polsce i tym samym w Europie środkowej ograniczenia Protokołu Montrealskiego wprowadzone 1.07.2002 są respektowane. Praca częściowo finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach 2005-2008 jako projekt badawczy 4 T12B 004 28 i 3 T09D 038 29. Piśmiennictwo cytowane [1] Śliwka I. (2003), Detektor wychwytu elektronów- podstawy teoretyczne i przykład zastosowań, Raport IFJ PAN Nr.1924/AP, www.ifj.edu.pl/reports/2003.html [2] Strona Internetu: http://cdiac.esd.ornl.gov/ndps/alegage.html [3] Prinn R.G. et al. 2000, History of chemically and radiatively important gases in air deduced from ALE/GAGE/AGAGE. J.Geophys.Res. 105 (D14): 17751 - 17792. [4] Lasa J. & Sliwka I. 2003. Long term measurements of the concentrations of holocarbons in an urban area of Krakow, Poland. Applied Energy, 75: 155 -163. [5] I. Śliwka, J. Lasa, M. Jackowicz-Korczyński, Pomiary stężeń związków chlorowcowych w powietrzu Krakowa, Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, Vol.25, 107, 2004, ISBN 83-89293-70-6. [6] Sliwka I. & Lasa J. 2002. A method for improvement of precision and accuracy in concentration measurements based on external standard. Anal. Chem. (Warsaw) 47: 1-17. [7] D.M.Cunnold et al., GAGE/AGAGE measurements indicating reduction in global emission of CCl3F and CCl2F2 in 1992 – 1994, J.Geophys.Res.,Vol.120, No.D1, pp.1259 - 1269 (1997). [8] P. Fraser et al. Life-time and emission estimates of 1,1,2-trichlorotrifluoroetane (CFC-113) from daily global background observations June 1982 to June 1994, J.Geophys.Res.,Vol.101, No.D7, pp.12585–12599 (1996). [9] M.A.K. Khail and R.A. Rasmussen, Atmospheric chloroform, Atmos. Environ., 33 (1999) 1151-1158 [10] R. Prinn et al.,Global average concentration and trend for hydroxyl radiacals deduced from ALE/GAGE trichloroethane (methyl chloroform) data for 1978–1990, J.Geophys.Res.,Vol.97, No.D2, pp.2445–2461 (1992) [11] P.G. Simmonds et al.,Global trends and emission estimates of CCl4 from in situ background observations from July 1978 to June 1996, J.Geophys.Res.,Vol.103, No.D13, pp.16017 - 16027 (1998) [12] Maiss M.H. & Brenninkmeijer C. A. M. 1998. Atmospheric SF6, trends, sources and prospects. Environ. Sci. Technol. 32: 3077 - 3086. [13] Lasa J. & Sliwka I. 2001. Stability examination of the response of a GC equipped with an ECD working in a constants current mode, Anal. Chem. (Warsaw) 46: 421- 431. [14] Ustawa z dnia 2 marca 2001o postępowaniu z substancjami zubożającymi warstwę ozonową (Dz. U. Nr. 52, poz. 537, podpisana 1.07.2002). Assessment CFC’s and SF6 of concentration efficacy of international in atmosphere regulations of Poland on Summary: The concentrations of chlorofluorocarbons (CFCs) and sulfur hexafluoride (SF6) in the atmosphere are on the ppt level. As radiatively active gases they influence the depletion of the Earth’s ozone layer and increase of the greenhouse effect. Long term measurements of the concentration of seven halogenated compounds, i.e., Freon F-11 (CFCl3), F-12 (CF2Cl2), F-113 (CCl2FCClF2), chloroform (CHCl3), 1,1,1-trichloroetane (CH3CCl3), carbon tetrachloride (CCl4) and SF6 are performed in the densely populated urban area of Krakow. The results of the measurements suggest that the Montreal Protocol limitations of CFC’s emissions are respected in Poland where those limitations has been started since 1. 07. 2002. 8