Fyzická geografie: Klimatologie a hydrogeografie pro učitele
Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity
RNDr. Aleš Ruda, Ph.D.

Atmosféra jako složka životního prostředí

Látky znečišťující atmosféru

Tato kapitola byla převzata a částečně upravena z publikace Integrovaná přírodověda 4 – Počasí a podnebí, zpracované přírodovědnými katedrami Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity.

Emise a imise

Slovo emise pochází z latinského slova e-mitto, znamenající vysílám, vydávám nebo vypouštím. V dnešní době se nepoužívá pouze v souvislostech s kvalitou ovzduší a nese s sebou mnoho významů z různých oborů. V oboru hygieny a ekologie slovo emise vyjadřuje uvolňování polutantů do ovzduší. Pro bližší upřesnění jsou rozlišovány termíny primární a sekundární emise.

Primární emise jsou látky vyloučené přímo z jejich zdroje do ovzduší. Označení se týká látek, které byly vypuštěny a jejich měření tedy probíhalo např. v případě automobilu přímo u výfuku nebo v případě továrny přímo na jejím komíně. Primární emise jsou tedy ve stavu, kdy neprošly žádnou chemickou nebo jinou reakcí, která by znamenala jejich jakoukoliv změnu. Dále je lze dělit podle původu, a to na přirozené emise, emise způsobené zásahem člověka do přírody a antropogenní emise.

1. Přirozené emise – vznikají díky přírodním zdrojům, např. sopečné výbuchy, kdy se do ovzduší dostává obrovské množství oxidu uhličitého – CO₂, oxidu siřičitého – SO₂, chlorovodíku HCl a fluorovodíku HF a z organických látek methanu, alkoholů, aldehydů a dokonce i freonů. Sopečný popel a prach obsahují i sloučeniny arsenu, rtuti a fluoru. Dalším zdrojem přirozených emisí jsou i písečné bouře, které mohou zavát prach ze Sahary až do Evropy. Na prach se váže i mnoho bakterií, hub a virů (např. chřipkové viry) a pomocí kapek kapalin, které tato prachová zrna obalují se pak šíří vzduchem.
2. Emise způsobené zásahem člověka do přírody – do této skupiny lze zařadit emise vznikající jako produkt hoření při vypalování lesů za účelem získání zemědělské půdy, pěstování rýže na bažinatých polích (emise methanu), chov zvířat (hovězí dobytek produkuje až 12 % celosvětových emisí methanu).
3. Antropogenní emise – jejich hlavním zdrojem jsou emise vzniklé spalováním fosilních paliv, až 75 % antropogenních emisí vzniká průmyslovou výrobou, v řemeslné výrobě, domácnostech a dopravou. Plyny, které se takto do ovzduší dostávají, jsou oxid uhličitý – CO₂, oxid uhelnatý – CO, oxid siřičitý  -SO₂ a oxidy dusíku – NO a NO₂, dále pak prach i organické látky.

Sekundární emise naopak označují skupinu látek vytvářených až v atmosféře. Děje se tomu tak prostřednictvím reakcí mezi jednotlivými znečišťujícími látkami. Tyto reakce probíhají např. za vlivu UV záření (fotoaktivace) nebo přímými reakcemi mezi jednotlivými primárními polutanty. Škodlivost těchto vzniklých látek je často mnohem vyšší, než byla škodlivost původních látek. Nejznámější z těchto reakcí jsou ty, při nichž vzniká tzv. fotochemický (dnes také označovaný jako letní) smog. Příkladem jednoduché reakce se vznikem sekundárních emisí je také slučování aerosolů kyseliny sírové s oxidy kovů. Z chemického hlediska jde o neutralizaci za vzniku solí. Vznikají sírany, které představují suchou fázi kyselých imisí. Další typickou reakcí se vznikem sekundárních emisí je disociace oxidu dusičitého (NO₂), který je aktivován UV zářením (fotoaktivace) a disociuje se na oxid dusnatý a atomární kyslík. Tyto produkty začínají řetěz mnoha dalších reakcí, při nichž vznikají velmi dráždivé látky (přízemní ozon, alkylové a formylové radikály, peroxidy). Tyto látky jsou nejen toxické, ale také působí jako promotory karcinogenních látek.

Přenos látek – emisí v atmosféře se nazývá transmise. Transmise jsou pak uvolňovány do prostředí v podobě imisí.

Imise se neměří u zdroje znečištění, ale u jeho příjemce – například tedy na nějakém běžném místě, kde se pohybují lidé a dýchají vzduch. Imise se ukládají v půdě, rostlinách a organismech. Český hydrometeorologický ústav provádí měření imisí (tedy měření znečištění, resp. kvality ovzduší) pomocí 97 stanic, řadu dalších stanic provozují jiné organizace. Nejčastěji měřenými látkami jsou oxid siřičitý, oxidy dusíku a pevné částice PM10.

Tuhé imise

Mezi tuhé imise patří zejména prach a aerosoly. K prachu se řadí i různé anorganické prachy, jako kovové částice, křemičitany, fluoridy, chloridy nebo sírany. Prachy organického původu obsahují například dehty, bakterie a pyly. Obecná škodlivost tuhých imisí spočívá hlavně ve snižování viditelnosti, toxicitě pro živé organismy a korozivním účinku na materiály.

Míra škodlivosti prachových částic tedy závisí hlavně na:

1. disperzitě částic (jejich velikosti),
2. chemickém složení prachu,
3. fyzikálních vlastnostech prachových částic (tvar, smáčivost, krystalická struktura).

Částice větší než 100 µm mají relativně malý význam pro zdraví jedince, protože díky své značné hmotnosti rychle sedimentují. Částice prachu o velikosti do 10 µm se označují jako aerosol. Hmotnostně je jejich obsah ve vzduchu poměrně malý. Mají velký biologický význam. Jsou člověkem vdechnuty, ale z velké části jsou zachyceny již v horních cestách dýchacích. Zde se usadí ve vrstvičce hlenu, který je řasinkami posouván směrem do nosohltanu a nakonec dojde k jeho spolknutí. Pokud tyto částice svou chemickou povahou patří mezi toxické prachy, má jejich spolknutí značný zdravotní význam. Částice menší než 10 µm se ve vzduchu vyskytují v malém množství, ale zato mají velký biologický význam. Do respiračního traktu se jich za 24 hodin dostane až 0,01 g. Molekuly o velikosti 1 – 2 µm pronikají průdušinkami až do plicních sklípků, kde je jich zachyceno někdy i více než 90 %. Tyto částice jsou tedy z hlediska retence aerosolu v plicích nejnebezpečnější. Naopak částice menší než 0,01 µm se v plicích začínají chovat jako plynné molekuly a jsou z větší části vydechnuty.

Biologicky inertní (neaktivní) prach nemá specifické biologické účinky a způsobuje zaprášení plic. Naopak biologicky agresivní prach má biologické účinky a to díky svému chemickému složení. Pokud ovzduší obsahuje okolo 10 % tohoto prachu, dochází při jeho dlouhodobé inhalaci postupně k chronickým zánětům průdušek, zmnožení vaziva v plicích, rozedmě plic atd. Takové účinky křemičitého prachu jsou projevem onemocnění nazývaného silikóza plic. Podobně při dlouhodobé inhalaci vláknitého azbestového prachu (azbestóza), prachu obsahující beryllium (beryllióza) a železnatého prachu (sideróza).

Fyzikální vlastnosti částic jsou důvodem, proč křemičitý prach ve sklárnách způsobuje silikózu, ale obyvatelé pouští, např. Sahary, ač jsou vystaveni silné inhalaci křemičitého prachu, silikózou netrpí. Prachové částice ve sklárnách jsou však ostré a hranaté, a proto způsobují silikózu. Prach Sahary je také převážně oxid křemičitý, ale tvar prachových částic je díky tisíciletému obrušování kulovitý a tudíž nezpůsobuje žádné problémy v dýchacích cestách.

Plynné imise

Do této skupiny patří sloučeniny síry, sloučeniny dusíku, oxidy uhlíku, halogenové sloučeniny a různé organické sloučeniny. Jejich vznik je velmi různorodý.

1. oxidy síry (SO₂ a SO₃), sulfan, sirouhlík – vznikají při spalování fosilních paliv (hlavně uhlí), při spalování mazutu a jako produkt různých technologií (hlavně v chemickém průmyslu);
2. oxid siřičitý (SO₂) – největším zdrojem síry v atmosféře je spalování fosilních paliv a zpracování sulfidických rud,  SO₂ je v atmosféře reakcí s O₂ nebo O₃ oxidován na SO₃ a následně reaguje s vodní párou, vzniká tak kyselina sírová, jedna ze složek kyselých dešťů.
3. oxidy dusíku, amoniak – vznikají při hoření za vysokých teplot (elektrárny a teplárny na fosilní paliva), ve válcích pístových motorů;
4. oxidy dusíku: hlavním antropogenním zdrojem je energetika a automobilová doprava,
   • NO₂ (oxid dusičitý) je žlutohnědý plyn, dráždivý, toxický, je součástí fotochemického smogu,
   • NO (oxid dusnatý) je bezbarvý plyn, rovněž je součástí fotochemického smogu, působí zejména na centrální nervovou soustavu,
   • N₂O (oxid dusný) je poměrně málo reaktivní, má dlouhou dobu setrvání v troposféře a proniká i do stratosféry, kde může mít vliv na koncentraci ozonu. Oxidy dusíku jsou prekurzorem fotochemického smogu,
5. oxidy uhlíku (CO₂ a CO) – vznikají při spalování uhlíkatých paliv (hlavně automobilová doprava), značné koncentrace jsou např. v kotelnách,
6. oxid uhelnatý CO – vyskytuje se především v troposféře a oxiduje se na oxid uhličitý, CO vzniká při nedokonalém spalování látek s obsahem uhlíku, např. fosilních paliv, CO se nevratně váže na Fe v hemoglobinu, vzniká karboxyhemoglobin (vazba CO na hemoglobin je 210 krát silnější než vazba kyslíku na hemoglobin),
7. halogenové sloučeniny HF, HCl – uvolňují se do ovzduší při metalurgických procesech (hliníkárny), také vznikají při výrobě fosforečných hnojiv,
8. organické sloučeniny (nenasycené i nasycené alifatické i aromatické uhlovodíky, formaldehyd, kyselina mravenčí, akrolein) – v ovzduší se vyskytují ve velkém množství, významných zdrojem jsou automobilové motory.

Tyto látky jsou velmi škodlivé. Sloučeniny dusíku jsou pro organismus značně dráždivé, po inhalaci a přestupu do krve jsou příčinou vzniku methemoglobinu. Účastní se fotochemických reakcí, které vedou ke vzniku sekundárních emisí. Organické sloučeniny jsou do ovzduší emitovány jako páry nebo těkavé kapaliny.

Radioaktivní imise

Mezi radioaktivní polutanty patří např. stroncium, izotopy jodu nebo cesium a další látky. Tyto imise však člověka ohrožovaly především v době jaderných havárií – například při havárii jaderné elektrárny v Černobylu v roce 1986. Podle podrobných měření byla průměrná efektivní dávka obyvatelstvu (Černobylský rok) na našem území v roce 1986 0,26 mSv (milisievert), což je asi desetina dávky obdržené občanem z přírodního radioaktivního pozadí, radioaktivního záření, které je tu od samého počátku světa.

Smog

Termín SMOG vznikl spojením anglických slov smoke (kouř) a fog (mlha). Jde o spojení tuhých imisí, plynných imisí a sekundárních imisí, které společně vytvářejí celkové chemické znečištění atmosféry. Tento termín označuje také mimořádné znečištění ovzduší při nepříznivých meteorologických podmínkách. V ovzduší se hromadí škodliviny, až jejich koncentrace převýší přípustné hodnoty. Trvá-li taková situace delší dobu, může mít nepříznivý vliv na zdraví obyvatel. Pobyt v prostředí s vysokou koncentrací škodlivin je zátěží pro každý organismus. Citlivější vůči působení smogu jsou děti do 3 let, alergici, nemocní s chorobami dýchacích cest, lidé starší 60 let a těhotné ženy. Proto především tyto skupiny by měly podle možností a situace dodržovat doporučovaná preventivní opatření.

Existují dvě zásadně odlišné formy smogu, mezi nimi ovšem může být mnoho přechodných typů.

Londýnský smog

Jinak nazývaný také redukční typ smogu. Jde o směs kouře, oxidů síry a zplodin spalování uhlí v kombinaci s vysokou relativní vlhkostí vzduchu. Je doprovázen hustou mlhou. Škodlivost plynných součástí je zvyšována přítomností popílku, který umožňuje jejich proniknutí do dolních cest dýchacích. Tento typ smogu dosahuje maxima časně ráno za teplot od 0 do 5 °C. Londýnský smog je známý už od římských dob, kdy v roce 1306 král Edvard I. zakázal spalovat uhlí. Tento zákaz však trval jen chvíli. Situace se postupně zhoršovala až do padesátých let 20. století, kdy při několika smogových situací zahynuly tisíce. V roce 1956 pak Parlament zavedl tzv. bezkouřové zóny. Díky nim se snížily emise oxidů síry a londýnský smog se stal minulostí. Dnes trápí Londýn jako většinu velkoměst fotochemický smog.

Losangelský smog

Oxidační typ smogu, dnes zvaný letní smog nebo také fotochemický smog. Je spojen se znečišťováním ovzduší výfukovými plyny automobilů. Ty obsahují zplodiny spalování kapalných a plynných paliv. Pro jeho vznik jsou důležité reakce iniciované slunečním zářením. Nejintenzivnější je při specifických přírodních podmínkách – teplotě 25 až 30 °C, nízké vlhkosti vzduchu a při jasném počasí s intenzivním slunečním světlem.

Rozptyl mnoha příměsí v atmosféře je podmíněn mnoha faktory:

1. reliéf

   V uzavřených údolích se vytváří jezera studeného vzduchu, které neumožní promíchání vzduchu.

2. proudění v atmosféře

   Největší znečištění se nachází v planetární mezní vrstvě atmosféry (do výšky 1,5 km), na které má velký vliv zejména teplotní zvrstvení atmosféry – např. advekce relativně teplejšího vzduchu na chladnější zemský povrch sice zvyšuje stabilitu atmosféry, ale znemožňuje přízemní prostorový rozptyl, čímž zhoršuje kvalitu ovzduší.

3. cyklóny a anticyklóny

   V cyklonách dochází obecně k výstupu vzduchu, což umožňuje jeho vertikální promíchávání a lepší prostorový rozptyl, v anticyklóně dochází naopak k sestupu vzduchu a zhoršení rozptylových podmínek.

4. teplotní inverze

   Jakákoli inverze vede ke zhoršení stavu ovzduší, v přízemních inverzích nedochází k odvětrání přízemních exhalací, ale polutanty z výškových komínů se k zemi nedostanou, pro výškové inverze je důležitá výška jejich dolní hranice.

5. ráz počasí

   Rychlost a směr větru umožní pročištění, nebo naopak znečištění ovzduší, přechod studené fronty pročišťuje vzduch z konkávních tvarů reliéfu a atmosférické srážku umožňují promytí atmosféry.

Ochrana ovzduší v České republice

Ochrana ovzduší v České republice podléhá příslušným legislativním předpisům, které jsou vymezeny jak na úrovni České republiky, tak na úrovni Evropské unie. Výkon správní činnosti na úseku ochrany ovzduší, ozónové vrstvy a klimatického systému Země vykonávají zejména Ministerstvo životního prostředí, Ministerstvo zdravotnictví, Česká inspekce životního prostředí, Česká obchodní inspekce, krajské úřady, obecní úřady obcí s rozšířenou působností a jednotlivé obce.

Ministerstvo životního prostředí vykonává působnost ústředního správního úřadu v oblasti ochrany ovzduší, ozonové vrstvy a klimatického systému Země a na těchto úsecích řídí výkon státní správy. Zejména pak zajišťuje sledování kvality ovzduší a provoz základní sítě imisního monitoringu na celém území ČR a sledování úrovně znečištění ovzduší. Sběrem dat dále zabezpečuje jednotný registr informačního systému kvality ovzduší (ISKO) a registr emisí a zdrojů znečišťování ovzduší (REZZO) a připravuje a předkládá vládě ČR ke schválení národní programy snižování emisí vybraných znečišťujících látek nebo jejich stanovených skupin.

Ministerstvo zdravotnictví předkládá vládě ČR návrhy ke zpřísnění imisních limitů v případech odůvodněné potřeby na základě zhodnocení zdravotních rizik, zpracovává a vede seznamy referenčních koncentrací znečišťujících látek a provádí sledování zdravotního stavu obyvatelstva a hodnocení zdravotních rizik v oblastech se zhoršenou kvalitou.

Česká inspekce životního prostředí dozírá na dodržování právních předpisů a rozhodnutí orgánů ochrany ovzduší týkajících se ochrany ovzduší, ochrany ozonové vrstvy a klimatického systému Země a ukládá nápravná opatření a rozhoduje o omezení nebo zastavení provozu stacionárního zdroje.

Česká obchodní inspekce kontroluje zejména kvalitu paliv na vnitřním trhu.

Krajské úřady rozhodují o vyměření poplatku, odkladu nebo prominutí části poplatku za znečišťování ovzduší zvláště velkých a velkých stacionárních zdrojů kontrolují a hodnotí dodržování imisních limitů a emisních stropů a zpracovávají programy na snížení emisí a zlepšení stavu ovzduší.

Obce s rozšířenou působností a jednotlivé obce vyměřují poplatky za znečišťování ovzduší u malých stacionárních zdrojů, vypracovávají plány zlepšování kvality ovzduší v oblastech se zhoršenou kvalitou, vydává nařízení, jímž může na svém území stanovit podmínky spalování suchých rostlinných materiálů nebo toto spalování zakázat a kontroluje dílčí indikátory (tmavost kouře, pachové číslo atd.) související s vylučováním polutantů.

Stěžejním řídícím parametrem systému ochrany ovzduší je úroveň znečištění ovzduší charakterizovaná na základě imisních limitů. Od roku 2002 je systém ochrany ovzduší v ČR) zaměřen na imise, což koresponduje s legislativním přístupem k této problematice v dalších zemích EU. Zdroje znečišťování ovzduší musí dodržovat emisní limity a jejich provozovatelé musí plnit stanovené povinnosti. Na jednotlivých řídících stupních jsou zpracovávány programy snižování emisí a plány ke zlepšování kvality ovzduší v oblastech se zhoršenou kvalitou ovzduší. Emise skleníkových plynů jsou navíc celostátně omezeny prostřednictvím povolenek, které jsou jednotlivým provozovatelům přidělovány na pětileté období a ti jsou povinni každý rok vyřadit množství povolenek odpovídající emisím skleníkových plynů, které za toto období vyprodukovali. Povolenky, jejichž majetková hodnota odpovídá právu provozovatele zařízení vypustit do ovzduší v daném kalendářním roce ekvivalent tuny CO₂, jsou obchodovatelné.

Měření emisí probíhá kontinuálně, nebo manuálně. Kontinuální měření probíhají za použití elektro-optických měřících systémů přímo v prostředí kouřovodu, a to většinou na jednom místě. Manuální měření je založeno na přímém odběru plynů na více místech a jejich následné analýze v laboratoři.

Ke sledování zdrojů znečištění slouží v ČR Registr emisí a zdrojů znečištění (REZZO), jehož správa spadá do kompetencí Českého hydrometeorologického úřadu. Katalog REZZO se skládá ze čtyř databází archivující data za jednotlivé kategorie zdrojů znečištění ovzduší.

• REZZO 1 – velké zdroje znečištění
• REZZO 2 – střední zdroje znečištění
• REZZO 3 – malé zdroje znečištění
• REZZO 4 – mobilní zdroje znečištění

Databáze REZZO 1–4 jsou součástí Informačního systému kvality ovzduší (ISKO) provozovaného ČHMÚ, jenž je jedním ze základních nástrojů pro sledování a hodnocení kvality ovzduší ČR.

---

Shrnutí a literatura