Швейцария ищет решение проблемы мелкодисперсных частиц в воздухе

Основным источником аэрозольного загрязнения воздуха является сжигание с целью отопления жилья ископаемых видов топлива и древесины. Keystone / Xavier Gehrig

Наука пока еще только пытается понять, каким образом происходят попадание и перенос в атмосфере т.н. «мелкодисперсной и субмикронной фракций аэрозоля», а проще говоря, как пыльный воздух, загрязненный сверхмелкими твердыми частицами, воздействует на экологию и на здоровье людей. Благодаря работе станций мониторинга качества атмосферного воздуха, расположенных в Швейцарии и еще в дюжине других европейских стран, ученым недавно удалось продвинуться ещё на один шаг вперед. 

Жаркий июльский день в Цюрихе. Рядом с зеленой зоной на Лабиринтплац (Labyrinthplatz), расположенной в самом центре города, припаркован белый фургон. Неприметный снаружи трейлер внутри оснащен лабораторией с полным набором высокочувствительного оборудования, предназначенного для организации мониторинга ситуации в области загрязнения атмосферы мелкодисперсными частицами. «Мы раньше и мечтать не могли о такой мобильной лаборатории да еще с таким функционалом», — говорит Ган Чэнь (Gang Chen). 

Он аспирант швейцарского научно-исследовательского центра «Институт имени Пауля Шеррера» (Paul Scherrer Institut PSI), расположенного в 35 км к северо-западу от Цюриха. Площадь Лабиринтплац находится буквально в нескольких шагах от цюрихского Центрального железнодорожного вокзала и находящегося рядом с ним транспортного узла в составе нескольких автобусных и трамвайных остановок. По соседству тут же находятся десятки ресторанов, баров, магазинов и многоквартирных жилых домов. 

Туман, дым, пыль…

Оценивая свойства и состав аэрозольных частиц, отобранных на 22 научных станциях мониторинга вроде этой, Институт Пауля Шеррера и его международные партнеры, число которых достигает семи десятков, смогли точно определить основные антропогенные и природные источники загрязнения атмосферы мелкодисперсными частицами: в Цюрихе это автомобильные выхлопы, дым от грилей и сигарет. Попав в атмосферу, эти частицы ещё долго остаются в воздухе во взвешенном состоянии. Результаты данного исследовательского проекта были опубликованы в августовском 2022 года номере рецензируемого журнала Environment International.

Термин «аэрозоль» раньше был в ходу разве что у экологов и ученых. Речь идет в данном случае о т.н. дисперсной системе, обычно состоящей из взвешенных в газовой среде (дисперсионной среде, обычно в воздухе), мелких частиц (дисперсной фазы). Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами. Вот так неромантично. В случае твёрдых частиц, если они, конечно, не выпадают в осадок, принято говорить о дымах (свободнодисперсных аэрозолях), либо о пыли (грубодисперсном аэрозоле).

Специалисты Института Пауля Шеррера проводят отбор проб аэрозолей на 22 научных станциях мониторинга, включая станцию в Цюрихе. swissinfo.ch

Размеры частиц в аэрозолях изменяются от нескольких микрометров до 10 в −7 степени мм. Но потом началась пандемия, и все вдруг осознали, что с аэрозолями при выдохе не только распространяется вирус COVID-19, но что мелкодисперсные взвешенные частицы могут вызывать целый ряд хронических и острых респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний, включая астму, бронхит и рак легких. Еще недавно ученые и медики считали, что подобных проблем со здоровьем можно избегать за счет снижения концентрации в воздухе летучих органических соединений (ЛОС) во вдыхаемом воздухе. 

«Аэрозольное загрязнение как музыкальное произведение» 

Однако в 2020 году ученые Института Пауля Шеррера опубликовали в журнале Nature данные о том, что степень и характер воздействия аэрозолей на климат, окружающую среду и людей зависят не только и даже не столько от степени их концентрации, сколько от конкретного источника загрязнения, его токсичности и путей проникновения частиц в организм человека. «Полагаю, что никто из ученых не осмелится сейчас утверждать, что он имеет четкое представление об источниках ЛОС», — говорит Ган Чэнь. По его словам, отследить происхождение летучих органических соединений оказывается очень непросто, даже с использованием потенциала более двух десятков современных мониторинговых научных станций, расположенных по всей Европе. 

Ведь концентрация и состав ЛОС в воздухе постоянно меняются. «Представьте себе процесс аэрозольного загрязнения как своего рода музыкальное произведение, — предлагает Ган Чэнь. —Мы хотим в рамках нашего проекта создать модель, с помощью которой можно было бы вычленить из структуры этого произведения отдельные музыкальные фрагменты или фразы, с тем чтобы иметь затем посекундное представление о том, какой именно инструмент звучал и в каком диапазоне громкости». В такой модели музыкальные инструменты — это как раз разные источники загрязнения воздуха органическими аэрозолями, а уровень громкости звука в децибелах — это химический состав аэрозолей и их соответствующая концентрация. 

Чтобы составить более четкое представление об уровне и источниках загрязнения, PSI отправил запросы в 46 действующих обсерваторий Европы и получил ответы от девяти сельских и 13 городских станций мониторинга. Затем ученые проанализировали собранные за период с 2013 по 2019 год данные, определив компоненты загрязнения воздуха и характер их взаимодействия по дням, месяцам и временам года. Понятно, что в городах воздух боле пыльный, чем в сельской местности. Самый высокий уровень загрязнения воздуха мелкими частницами (40,4 мкг/м3) оказался в Кракове, втором по величине городе Польши, а самый чистый воздух зарегистрировали в норвежском городе Биркенес (Birkenes) на юге страны (1,3 мкг/м3).

Домашнее отопление: источник образования аэрозолей

При всей неоднородности состава органических аэрозольных частиц, отобранных на разных мониторинговых станциях, их удивительным образом роднит тип источника, а именно сжигание ископаемых видов топлива и древесины для отопления домов и многоквартирных домов. По словам Ган Чэня, в целом по показателям аэрозольного загрязнения лидируют городские районы, где в домах по-прежнему используют дрова, деревянные гранулы-пеллеты, а также уголь или торф, как, например, это все еще имеет место в Румынии. 

Связано это с порядком правового регулирования: если электростанции обязаны соблюдать строгие нормы и применять многоступенчатые системы фильтрации выбросов, то в сфере коммунального отопления на территории западноевропейских стран действуют куда более мягкие нормы. В Швейцарии тоже все еще очень распространены системы отопления домов при помощи мазута или солярки. Тем не менее в стране уже растёт степень осознания необходимости решения этой проблемы и замены солярки на тепловые насосы. 

В Швейцарском федеральном ведомстве по охране окружающей среды (BAFU, подразделение министерства транспорта, коммуникаций и энергетики UVEK) порталу SWI swissinfo.ch сообщили, что после вступления в силу в 2018 г. новых стандартов и требований по отопительным установкам малой мощности, работающим на основе сжигания минерального топлива, все такого рода устройства, дровяные печи, бойлеры, камины и другие аналогичные обогреватели, попадая на рынок, должны проходить контроль соответствия стандартам выбросов и стандартам экологических директив ЕС.

Эксплуатировать их можно только при наличии топлива соответствующего качества, не говоря уже о том, что печи и камины должны проходить регулярные технические осмотры. В Швейцарии уже давно не используют уголь, а уже торф полностью запрещен. «Разработка передовых отопительных технологий продолжается, и в ближайшие несколько лет вполне вероятно внесение изменений в уже разработанные правовые стандарты и требования», — добавляют в BAFU.

Поиск источников загрязнения 

Вторым важным источником аэрозольного загрязнения атмосферы является автотранспорт. Начиная с 90-х годов прошлого века в Европе действуют четкие и строгие экологические нормы в отношении выбросов автомашинами парниковых газов и мелкой пыли, например, при сжигании дизельного топлива. Но не менее важным фактором является и пыль, которая возникает из-за трения шин о дорожное покрытие и в результате стирания колодок тормозов, а также в целом обычная дорожная пыль. Здесь пока ни в одной стране Западной Европы четких предельно допустимых норм (ПДН) не предусмотрено. 

Стюарт Грэндж (Stuart Grange) из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Interdisziplinäres Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie − Empa) отмечает, что в этой области ничего еще не сделано во многом потому, что у многих страны просто нет необходимых технологических решений, включая эффективные системы улавливания частиц и общего мониторинга. Поэтому-то сейчас в сфере исследований в области загрязнения воздуха ученые все больше уделяют внимание именно таким рассредоточенным источникам загрязнения, а не традиционным выбросам.

Недавно Институт имени Пауля Шеррера с партнерами разработали и представили единый стандартный протокол локализации и оценки источников аэрозольных загрязнений. Лукас Дурдина (Lukas Durdina) из Цюрихской высшей школы прикладных наук (Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW), эксперт в области физики процессов концентрации аэрозолей в атмосфере, сам не участвовал в проекте PSI, но он отмечает его ценность и для других сфер научной деятельности, потому что проект ясно показывает, что в зависимости от калибровки фиксирующей аппаратуры и характера протокола мониторинга один и тот же прибор может давать самые разные показатели, а результаты попыток их сравнения будут в лучшем случае носить вероятностный характер.

В конце 2021 года Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) выпустила новое нормативное руководство по качеству воздуха, в котором говорится, что рекомендованные ПДН по концентрации мелких взвешенных частиц диаметром до 2,5 мкм находятся теперь на уровне 5 мкг/м3 (микрограммов на кубический метр воздуха), а не как раньше—   на уровне 10 мкг/м3. Ученые признают, что такие рекомендованные ПДН играют важную регулирующую роль, но все же они придерживаются мнения, что ВОЗ свое основное внимание должна уделять не документам, а реальному исследованию источников аэрозольных загрязнений и их химическому составу. «Я очень надеюсь, что ВОЗ сможет использовать разработанный нами протокол для получения в дальнейшем более четкого представления о том, какие виды мелкодисперсных частиц оказывают на здоровье людей наиболее пагубное воздействие», — резюмирует Ган Чэнь.