Luftforureningen og luftvejseffekter hos fynske børn
3 Luftforureningen i Danmark
Som en konsekvens af en centralisering af boligopvarmningen, indførslen af naturgas som energikilde i forbindelse med boliger og erhverv, samt siden midten af 1990’erne ligeledes anvendelsen af katalysatorer til rensning af udstødningen fra biler, har man set en faldende luftforurening i Danmark siden landsmåleprogrammet startede i 80-erne. Dette er set for de fleste forureningskomponenter, men tendensen illustreres af partikel- og SO2 koncentrationerne, som det ses på figur 1a og 1b.
Den faldende tendens er fladet ud sidst i måleperioden. Imidlertid vurderes disse data at være repræsentative for situationen i dag. Det tilsyneladende fald i partikelkoncentrationen fra 2000 til 2001 skyldes dog ikke en reel reduktion, men derimod at man skiftede målemetode fra TSP, der groft set dækker alle partikler under 20 – 40 mm, til en metode for PM10, der måler alle partikler med diameter mindre end 10mm. Beregninger foretaget på basis af samtidige registreringer af TSP og PM10 har vist, at den vægtmæssige koncentration fx. µg/m³ af PM10 i gennemsnit svarer til ca. 0,67 TSP.
Figur 1. Tidstrends for TSP/PM10 og SO2. Studieperioden markeret.
Odense/9154 = Albanigade målestation.
Figuren hentet fra DMU’s hjemmeside.
3.1 Kvælstofoxiderne
Kvælstofoxiderne (NOx: defineret som summen af kvælstofmonoxid (NO) og kvælstofdioxid (NO2)) udsendes fra alle former for forbrændingsprocesser i forbindelse med trafik, kraft- varmeproduktion og industri. NOx udslippet består primært af NO; fx for trafik er NO2 andelen i NOx udslippet almindeligvis 5-10%, en andel som er steget lidt med indførelsen af katalysatorer på de benzindrevne biler. I atmosfæren reagerer NO hurtigt med luftens ozon (O3) og danner NO2, men ved tilstedeværelse af sollys kan NO2 spaltes tilbage til NO og et O radikal (som hovedsagelig vil reagere med luftens ilt (O2) og gendanne O3). I byområder og specielt inde i den enkelte bygade er opholdstiden så relativt kort, at kvælstofoxiderne kun når at indgå i disse to reaktioner - reaktionen mellem NO og O3 som danner NO2, samt fotodissociationen af NO2 tilbage til NO og O (og dermed gendannelse af O3). Det primære tab af NOx sker ved at NO2 reagerer med det meget reaktive OH radikal og danner salpetersyre (HNO3) - en reaktion som typisk forløber med en rate af ca 5% i timen. Dermed har NOx en typisk levetid i størrelsesordenen 24 timer og vil typisk transporteres nogle hundrede kilometer før det omdannes.
I et gaderum er NO2 andelen af NOx almindeligvis begrænset af tilstedeværelsen af O3. Ved høje NOx koncentrationer vil stort set alt O3 reagere med NO og danne NO2. Andelen af NOx som udgøres af NO2 vil derfor i stort omfang have en sæsonvariation som følger O3 koncentrationen i baggrundsområderne - dvs med maksimum i forårs og sommermånederne, hvor der er mest sollys og dermed størst fotokemisk aktivitet i atmosfæren. Koncentrationen af NO2 kan aldrig overstige summen af det direkte NO2 udslip og O3 koncentrationen i baggrundsluften.
Udslippene af NOx i Europa er faldet over de seneste 10 år som et resultat af begrænsningstiltag vedtaget i NEC (National Emission Ceilings) direktivet og Gøteborg protokollen. Dette fald slår nu igennem i baggrundsområderne uden for de danske byer [Ellermann et al., 2005]. I de danske byer er der imidlertid i samme periode sket en stigning i trafikken som har ført til at faldet i NOx her lokalt set ikke er lige så stort [Kemp et al., 2006]. NOx i byområderne kan dog stige igen, hvis der sker en stigning i antallet af dieselbiler.
3.2 Ozon
O3 er en såkaldt sekundær fotokemisk luftforurening, som dannes ved kæder af reaktioner mellem NOx og kulbrinter under tilstedeværelse af sollys. Dannelsen kræver relativt meget sollys og derfor sker der ikke nogen netto dannelse af O3 i Danmark. Episoder af O3 i Danmark er således resultatet af transport fra Central- og Sydeuropa og sker typisk i sommerperioder med højtryksepisoder over Centraleuropa som presser forurenet luft op til Danmark. I en bygade er O3 koncentrationen typisk meget tæt på nul pga den tidligere nævnte reaktion med NO som fører til dannelsen af NO2. Pga den begrænsede tilstedeværelse af sollys ser man en faldende gradient i O3 koncentrationen hen over landet fra syd mod nord. O3 har en udpræget sæsonvariation og følger solindstrålingen. Man ser således almindeligvis de højeste koncentrationer i forårs og sommermånederne.
3.3 Partikler
Partikler (aerosol, svævestøv) er faste eller flydende stoffer, som findes svævende i luften. Formen og størrelsen afhænger af partiklernes oprindelse og kemiske/fysiske omdannelser i atmosfæren. Partikler findes i forskellige fysiske former fra kugler, fx vand- eller oliedråber, til tynde nåle, fx asbestfibre. Størrelsen varierer fra få nanometer (nm) i diameter til få hundrede mikrometer (mm). Efter størrelse inddeler man partikler i 3 grupper:
| Partikelbenævnelse | Størrelse (diameter) i mikrometer (mm) |
| Grove partikler | > 2,5 |
| Fine partikler | 0,1 – 2,5 |
| Ultrafine partikler | < 0,1 |
| Nano partikler | < 0,01 |
En skematisk oversigt over partikler, deres oprindelse og omdannelse findes i Figur 1.
Figur 2. Skematisk tegning, som viser de tre typiske toppe i størrelsesfordelinger af partikler i en trafikeret gade. Der er vist kilder til de tre toppe, de væsentligste processer og overførsel mellem toppe (modificeret efter Whitby og Sverdrup 1980). Den lodrette skala er arbitrær for at kunne vise alle tre toppe. Hvis lodret akse havde været massen, havde de ultrafine partikler ikke kunnet ses. Hvis den lodrette akse havde været antallet af partikler, ville de grove partikler ikke have kunnet ses.
3.3.1 Udsættelse for partikler
De mindste partikler (ultrafine partikler) i området 10-100 nm dannes fra dampfase ved høj temperatur, fx i forbrændingsmotorer, kraftværkskedler eller industrielle processer. De dannes typisk ved kondensation, når temperaturen falder ved transport gennem udstødningsrør eller røgkanal, og vokser hurtigt fra nogle få molekyler til partikler i størrelsen 10-100 nm. Ultrafine partikler kan desuden dannes ved kemiske reaktioner mellem gasformige stoffer, under dannelse af faste eller flydende stoffer, fx fotokemisk smog ved reaktioner mellem kvælstofoxider og flygtige organiske stoffer under påvirkning af sollys. Den væsentligste kilde til ultrafine partikler er trafik, især dieselmotorer.
De fine partikler er et resultat af en række kemiske/fysiske omdannelser, dvs. de er ældre end de ultrafine partikler. En del af de fine partikler er dannet som følge af koagulation mellem ultrafine partikler indbyrdes eller mellem fine og ultrafine partikler. Denne proces tager en vis tid, som bl.a. betyder, at ultrafine partikler fra biler normal ikke når at koagulere, mens de findes i gaden, hvor opholdstiden kun er nogle få minutter. Andre typer af fine partikler dannes over lang tid i atmosfæren ved, at de indgår i de kemiske processer i skyer eller vokser til en vis størrelse ved kemiske processer mellem partikler og gasser. De fine partikler kan holdes svævende i mange døgn og dermed transporteres over adskillige tusinde kilometer. Efterhånden som partiklerne vokser, øges deres depositionshastighed, og de afsættes på overflader (jord, vand, vegetation m.v.); bl.a. derfor forekommer partikler, som er dannet ved ovennævnte processer, kun i mindre omfang i størrelser over nogle få mm. De væsentligste kilder til fine partikler er afbrænding af svovlholdigt brændsel samt alle forbrændingsprocesser, der giver anledning til dannelse af kvælstofoxider, dvs. trafik, kraftværker, opvarmning m.v.
Grove partikler dannes typisk ved forskellige mekaniske processer, fx jord- og vejstøv ophvirvlet af vinden, havsprøjt (som tørrer ud til saltpartikler), vulkaner, vegetation (pollen), dæk- og kørebaneslid, trafikskabt turbulens i gader, byggeri og industrielle aktiviteter. Disse partikler har en væsentlig kortere levetid, idet de afsættes på overflader ved sedimentation. Desuden undergår de kun i begrænset omfang i kemiske/fysiske omdannelser.
De tre hovedgrupper af partikler adskiller sig udover størrelse også i kemisk sammensætning på grund af deres forhistorie. De ultrafine partikler består for det meste af organiske, hydrofobiske stoffer, fx kulstof, oliedråber, komplekse organiske forbindelser (PAH) eller oxiderede organiske stoffer. De fine partikler består bl.a. af hygroskopiske, uorganiske salte, fx sulfater, nitrater eller klorider, men der er også en del sekundære organiske partikler. De grove partikler kan bestå af alle mulige stoffer afhængigt af deres oprindelse. Der er naturligvis en vis overlapning mellem ovennævnte størrelsesfordelinger af partikler, således at man kan finde de pågældende stoffer i alle typer af partikler.
Figur 2 viser en meget skematisk fordeling af partiklerne, bl.a. med en arbitrær lodret akse. Såfremt massen af partiklerne blev anvendt som lodret akse, ville de ultrafine partikler stort set forsvinde i figuren, fordi de kun udgør en meget lille del af den samlede masse. Hvis man derimod anvendte antal som lodret akse, ville de grove partikler stort set forsvinde fra figuren. Man kan groft taget sige, at 1 partikel med en diameter på 10 mm vejer lige så meget som 1 milliard partikler på 10 nm. Typisk udgør den fine fraktion omkring 1/3 af massen af den totale partikelmasse i trafikerede gader.
Man har hidtil målt partikelkoncentrationen i luft som massen i mg per kubikmeter luft, idet man dog har skelnet mellem TSP (Total Suspended Particulate), der er alle partikler op til 30-100 mm, og PM10 og PM2,5 (Particulate Matter), der er massen af partikler mindre end henholdsvis 10 og 2,5 mm. PM2,5 svarer stort set til den fine fraktion og den ultrafine fraktion, mens PM10 skærer midt i den grove fraktion og derfor er meget afhængig af fordelingen. Det overvejes, bl.a. i EU og i USA, også at arbejde med PM1 eller endnu mindre, når der foreligger flere data og mere viden om disse partikler.
De ultrafine partikler betyder ikke så meget for massen og måles derfor ikke ved de traditionelle metoder. Hertil kræves helt andre metoder, fx baseret på tællinger af partiklerne fraktioneret efter mobilitet.
I mange år, især tilbage i tiden, har man målt sod (black smoke eller soot). Det sker ved, at man opsamler partikler på et hvidt filter og derefter måler sværtningsgraden. Sod er stort set et mål for støvets indhold af kulstof og dermed en relativ god indikator for ufuldstændig forbrænding.
Partikler spredes og omdannes forskelligt bestemt af størrelsen og deres kemiske sammensætning. Nye studier viser, at de ultrafine partikler, der emitteres fra trafikken, stort set ikke omdannes i den tid, de findes tæt på kilden (i gaderummet). Desuden spredes de som gasser. Dvs. at partikler, der emitteres fra biler, spredes som fx CO og NOx. Det er derfor muligt at beregne deres forekomst i gader ved hjælp af veldokumenterede luftkvalitetsmodeller, hvis emissionen kendes. Sidstnævnte er imidlertid p.t. dårligt bestemt. Dette er derfor et oplagt område for nye undersøgelser, både nationalt og internationalt. Man vil finde de højeste niveauer tæt på trafikken, og der vil være en tæt sammenhæng mellem trafik, meteorologi og antallet af ultrafine partikler.
De fine partikler er typisk “gamle” partikler. Derfor bliver de transporteret over store afstande, dvs. fordelingen over et byområde er relativt homogen. Imidlertid finder man en vis korrelation mellem trafikken og PM2,5, hvilket i det væsentlige skyldes, at der er et vist bidrag fra trafikken, fra udstødning, bremser og vej- og dækslid.
De grove partikler, som er tæt relateret til TSP eller PM10, findes altid relativt tæt på kilden. Derfor vil deres forekomst afhænge af afstand til kilden, veje, bare jordarealer, byggeri og lignende. Den vil desuden afhænge af, hvor meget det blæser, og hvor tørt det er.
Undersøgelser gennemført for nylig i København viser, at der er en klar sammenhæng mellem antallet af ultrafine partikler og trafikken. Undersøgelser i det tidligere Østtyskland har endvidere vist, at forekomsten af fine partikler har været stigende, selv om PM10/PM2,5 har været faldende; det skyldes angiveligt, at nyere vesteuropæiske biler emitterer relativt flere ultrafine partikler. Der er derfor god grund til at undersøge forekomsten og kilderne til disse fine og ultrafine partikler.
3.3.2 Personlig eksponering
Befolkningens eksponering med luftforurening afhænger af forureningsniveauet de steder, man færdes, dvs. at for at vurdere eksponeringen er det nødvendigt at kende forureningen de steder, hvor den enkelte person befinder sig i løbet af dagen. Man må altså kombinere data om forureningen, hvor personen færdes, med den tid, den pågældende befinder sig de forskellige steder (tids-aktivitetsmønster). Det er, af økonomiske årsager, kun muligt at måle nogle få steder, hvilket sker i det landsdækkende LuftkvalitetsMåleProgram (LMP IV). Målestrategien er at måle på veldefinerede mikromiljøer (gader, bybaggrund m.v.) og ved hjælp af luftkvalitetsmodeller generalisere dette til hele byen. Ved at kombinere disse beregninger med modeller for tids-/aktivitetsmønster er det muligt både at bestemme eksponeringen over lang tid og kortvarige spidsbelastninger.
Version 1.0 Maj 2008, © Miljøstyrelsen.