OCHRANA OVZDUŠÍ 1/2002
7
EMISE VERSUS IMISE, ANEB JAK VYJÁDŘIT A CHÁPAT ZMĚNY V KVALITĚ OVZDUŠÍ (PŘÍKLAD S AEROSOLY) Doc. RNDr. Martin Braniš, CSc. Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, Ústav pro životní prostředí ÚVOD Degradace prostředí v České republice vrcholící na konci 80. let minulého století se stala atraktivním tématem pro řadu domácích i zahraničních odborných prací (Vavroušek a Moldan, 1989; Moldan, 1990; Moldan a Schnor, 1992; Braniš, 1996; Havlicek, 1997; Pinto et al., 1998; Moldan a Hák, 2000). Také bezprecedentní zlepšení situace bylo v minulosti a je i v současnosti častokrát doloženo nejen v odborném a populárním tisku, ale i v oficiálních sděleních vlády, mezinárodních organizací, či v hromadných sdělovacích prostředcích. V drtivé převaze je zvýšení kvality prostředí prezentováno jako jednosměrně pozitivní, velmi objektivní a podložené „tvrdými“ údaji. Je zřejmé, že pro objektivní hodnocení stavu prostředí, zejména v kontextu mezinárodních uskupení, jejichž je nebo patrně bude ČR členem (OECD, EU), je nezbytné vycházet z dat s vysokou výpovědní hodnotou, uchovávaných a zveřejňovaných v mezinárodně uznávaných a srovnatelných formátech. Právě pro kompatibilitu hodnocení byly vytvořeny celé skupiny indikátorů kvality životního prostředí nebo indikátory udržitelného rozvoje, které jsou mezinárodně publikovány a diskutovány (Bossel,1999; Moldan a Billharz, 1997). Za jeden z nejstarších indikátorů kvality ovzduší jsou využívány emisní charakteristiky hlavních škodlivin (tradičně SO2, NOX, prašného aerosolu atp.), případně jejich měrné ekvivalenty (tj. jednotka emitované látky na obyvatele nebo na plochu). Právě na těchto charakteristikách bývá dokladováno ono nebývalé zlepšení stavu životního prostředí v postkomunistické České republice (OECD 1999) i v řadě bývalých sovětských satelitů. Je ale známo, že emisní hodnoty nejsou vždy přímo měřeny u všech zdrojů, ale často pouze na zdrojích vybraných a navíc, ne vždy kontinuálně. Národní emisní charakteristiky jsou obvykle dopočítávány poměrně komplikovanými operacemi. Na druhou stranu o kvalitě ovzduší vypovídají charakteristiky imisní. I ty je možno, po určitých, ne však příliš náročných matematických či statistických operacích,
vztáhnout na celé území státu a připravit tak další indikátor vypovídající o úrovni znečištění ovzduší. Cílem předkládané práce bylo srovnat pro území České republiky trendy změn emisních a imisních charakteristik jedné z tzv. hlavních škodlivin – prašného aerosolu – zhodnotit imise ve větším detailu než je obvykle prezentovaný roční ukazatel a na základě získaných výsledků diskutovat výpovědní hodnotu různých forem prezentace obou indikátorů kvality ovzduší.
DATA A METODIKA Pro potřeby práce byly vybrány emisní a imisní údaje pro prašný aerosol (emisní kategorie „tuhé látky“ a imisní kategorie „SPM“ – suspended particulate matter a „PM10“). Emisní data byla získána ze statistických ročenek MŽP a ČHMÚ, imisní data z ročenek a databází ČHMÚ. Z důvodů častých problémů srovnatelnosti manuálních metod měření (gravimetrie) a moderních metod (TEOM nebo β-radiometrie) byla do předkládané publikace zahrnuta pouze imisní data ze sítě AIM. Srovnání imisních a emisních charakteristik bylo provedeno zejména pro období 1993 – 1999 (pro emise období delší). Do zpracování bylo celkem zahrnuto 97 stanic AIM z celého území ČR. Emisní údaje pro celkové emise tuhých látek byly převzaty z ročenek beze změn. Z měsíčních průměrů z jednotlivých stanic byly jednoduchými propočty připraveny roční a měsíční imisní charakteristiky pro celé území ČR. Pro celkové vysoké množství měřicích bodů (téměř 100) nebyla významnost (reprezentativnost) jednotlivých stanic uvažována. Jelikož jedním z cílů bylo srovnání emise tuhých látek a imise, byly hodnoty PM10 přepočteny koeficientem (PM10 = 0,8 SPM) na srovnatelnou charakteristiku, tedy SPM (např. Keywood et al., 1999; Keywood et al., 2000; Roosli et al., 2000). Pro názornost byly hodnoty vyjádřeny nikoli tradičními měsíčními průměry nebo vybranými kvantily, ale krabicovými grafy (tzv. boxploty), které umožňují lepší orientaci v rozptylech zahrnutých hodnot.
VÝSLEDKY A DISKUSE Jak uvádějí ročenky MŽP i ČHMÜ, celkové republikové emise poklesly během posledních více než 10 let z cca 840 000 tun (1988) na 67 000 tun (1999). Tato čísla znamenají fascinující pokles znečištění o 92 % !!!, který nemá pravděpodobně zatím ve světě obdoby. Však se také nadneseně příslušná data zhusta používají jako dokad toho, že transformace plánované ekonomiky na tržní hospodářství je jedinou možností, jak chránit životní prostředí. Ptáme-li se ale realisticky, jak k takovému nebývalému zvýšení kvality ukazatele prašného znečištění mohlo dojít, lze tento pokles lze vysvětlit několika notoricky známými příčinami: (i) pokles spotřeby energie kolabujícího těžkého průmyslu a tím také pokles těžby uhlí, (ii) zvýšení podílu kvalitnějšího paliva spalovaného ve velkých zdrojích, (iii) zlepšením technologií čištění spalin (zvýšení účinnosti odlučovačů). Jednoduše prezentované hodnoty emisního indikátoru ovšem neposkytují vysvětlení příčin zlepšení. Velmi zajímavé je současné grafické vyjádření emisí a trendů těžby uhlí (obr. 1). Toto srovnání již dokládá, že snížení těžby uhlí je patrně klíčovou příčinou zlepšení parametrů emise (podobně i u SO2, ale nikoli tak jasně u NOx) zejména v počátečních letech transformace, přičemž v druhém období, cca od r. 1995, hraje již významnější roli i modernizace odlučovačů (u SO2 uplatnění odsiřovacích technologií). Během stejné doby poklesly znatelně také koncentrace SPM (PM10) v ovzduší. Výrazné úspěchy při zlepšování kvality ovzduší jsou však daleko častěji dokladovány právě snižováním emisí škodlivin do ovzduší a plněním emisních limitů. Není divu. Snížení jak ročních průměrů, tak i měsíčních průměrů koncentrace aerosolu (imise) nedosáhlo zdaleka tak strmého trendu, jako u emisí. Porovnáme-li emisní a imisní data z let 1993 – 1999, pak celkové emise tuhých částic na celém území ČR poklesly 6,6x, zatímco imise SPM (PM10) pouze 3,1x (obr. 2). I když byla zvyšující se kvalita ovzduší ukázána v ročenkách MŽP i ČHMÚ (Fiala et al. 1993–2000) a na zlepšující se kvalitu ovzduší
8
OCHRANA OVZDUŠÍ 1/2002
Obr. 1
Emise hlavnÌch ökodlivin a tÏûba hnÏdÈho uhlÌ
Obr. 2
RelativnÌ trendy v poklesu emisÌ a imisÌ v »eskÈ republice (1993=100)
Obr. 3
MÏsÌËnÌ pr˘mÏry SPM (I-93 ñ XII-99) ze stanic AIM na ˙zemÌ »R
mnohokrát poukazováno na stránkách Ochrany ovzduší (Machálek, 1998; Kurfürst et al., 1999; Machálek, 2001, Fiala et al., 2001) i jinde (např. Horáček, 1999), na disproporci v indikátorech kvality ovzduší poukazují až Fiala et al., 2001. Poprvé kriticky nahlížejí na fakt, že se imise (obzvláště tuhých látek) nedaří snižovat tak, jak je tomu u emisí a že imisní limity EU bude možná problém v blízké budoucnosti spl-
nit, přestože národní emisní limity jsou dodržovány „nad normu“. Nadměrný optimismus z „vyčištění“ ovzduší prezentovaný pouze zřetelným a pravidelným poklesem emisí může uvést do realističtější roviny například přehled měsíčních koncentrací SPM (obr. 3). Vyjádříme-li měsíční koncentrace ze všech stanic AIM jako posloupnost hodnot, regresní přímka ukazuje, že o sestupný trend v koncentracích
jednoznačně jde. Při pohledu na srovnání jednotlivých měsíců v jednotlivých letech je ale zřejmé, že imisní situace vyžaduje hlubší analýzu. Kupříkladu u některých zimních měsíců (I, III, XII) ukazují grafy, že v období 93–96/97 hodnoty imisních koncentrací stagnují, nebo se dokonce zvyšují. U jiných měsíců je naopak zřejmý jasně klesající trend (V, VII, X, XI) a u zbytku je trend obtížné jednoduše charakterizovat. Rozhodně se nedá hovořit o tom, že zlepšení v minulých asi 10 letech má ve všech ročních obdobích jasný sestupný trend. (obr. 4). Z grafů je též patrné, že rozsah extrémních koncentrací SPM (PM10) (zejména v zimních měsících) se postupně snižuje, obzvláště pak v letech 1998 a 1999 (na zlepšení v r. 1998 a 1999 poukazuje též Fiala et al., 2000). Na podobné chování – postupné ubývání extrémních koncentrací v zimních měsících u některých monitorovaných škodlivin (SO2 a SPM) upozorňují v zahraničí i Ebelt et al. (2001) ve své práci o změnách v kvalitě ovzduší v bývalé NDR. I když je často velmi problematické srovnávat přímo emisní a imisní charakteristiky (by jde v tomto případě o principiálně stejnou škodlivinu – tuhé látky/SPM), rozdíl v rychlosti (strmosti) poklesu obou hodnot v České republice uplynulých deseti let nabízí k diskusi celou řadu otázek. Některé z nich dokonce mohou naznačit, že koncentrace v ovzduší (imise) nejsou tak přímo vázány na místní (konkrétní měřené i vypočtené) exhalace škodlivin, ale že při jejich formování (měření, počítání) hraje roli celá řada faktorů: 1) Odlučovače nezachytávají se stejnou účinností malé i velké částice, a proto nedoznávají imise (obzvláště měřené v podobě frakce PM10) tak rapidního snížení, jako by se mohlo předpokládat, přestože celkově výrazně klesají. 2) Dálkový transport škodlivin, který není přirozeně zohledněn v národních registrech pevných částic, je stále nezanedbatelný (především z oblastí, kde je stále využíváno ve velkém množství spalování nekvalitního uhlí – Polsko, Ukrajina …). 3) Zdroje malých částic (spalovací motory vozidel) jsou stále a stále významnější a v registrech podceněny. Podobné se může týkat i příspěvku lokálních zdrojů, jejichž význam nemůže být zvláště v současné době podceněn (Do-
OCHRANA OVZDUŠÍ 1/2002
9
Obr. 4. Měsíční průměry ze stanic AIM N – počet stanic zahrnutých do analýzy Linka uvnitř boxplotu vyjadřuje medián Boxplotem jsou omezeny 25 a 75 kvantil „Chybová“ úsečka ohraničuje nejnižší a nejvyšší hodnoty, které ještě nejsou odlehlé (méně než 1,5 vzdálenosti od 25/75 kvantilu) Kroužky označují odlehlé hodnoty (mezi 1,5 a 3násobkem vzdálenosti od 25/75 kvantilu) Hvězdičky označují extrémní hodnoty (ve větší vzdálenosti než 3násobek vzdálenosti od 25/75 kvantilu)
10
OCHRANA OVZDUŠÍ 1/2002
Obr. 4 – pokračování
Obr. 5
KorelaËnÌ koeficienty mezi pr˘mÏrnou mÏsÌËnÌ teplotou a pr˘mÏrnou mÏsÌËnÌ koncentracÌ SPM v »R (vöechny stanice)
masová et al., 2000; Braniš et al., 2000). 4) K formování imisí významně přispívá zatím ne dokonale prozkoumaná složka resuspendovaného aerosolu (který také z principu nemůže být v národních registrech zahrnován), na což je v posledních letech poukazováno (Jaecker-Voirol a Pelt, 2000). 5) Sekundární částice produkované v kondenzačních procesech mimo spalovací systémy nejsou zahrnuty v emisních registrech (týká se hlavně SO42– a NO3–). 6) Konečně, výpočty emisí mají stále ještě daleko k dokonalosti
a poskytují nám (někdy) zkreslené údaje. Bylo již naznačeno, že chyba celého procesu měření a výpočtu někdy dosahuje až desítek procent (např. Tichý, 1999). Z uvedených problémových okruhů může k nesouladu mezi emisemi a imisemi přispívat svým dílem více či méně každý z jednotlivých argumentů. Jak bylo v odborné literatuře konstatováno, jednoduchý vztah mezi emisemi a imisemi lze jen těžko nalézt (např. Fenger, 1999). Rozhodně může v budoucnu při studiu tohoto vztahu napomoci postupné zmapování
zdrojů a jejich identifikace podle charakteristických stop. Bez podrobné charakteristiky jednotlivých zdrojů je totiž velmi obtížné jejich podíl na tvorbě imisí i modelovat. Dosavadní výsledky řady prací naznačují, že není vždy zcela ideální považovat emisní charakteristiky za všeobjímající a dokonalý indikátor kvality ovzduší, ale spíše za přibližný indikátor chování znečišovatelů. To se ukazuje také na příkladu České republiky. I když se produkce škodlivin (v tomto případě SPM) znatelně snížila, odpovídající ukazatele kvality venkovního ovzduší – imise – nedoznaly srovnatelné úrovně. Zdá se, že kromě dalšího omezování emisí z velkých zdrojů bude nutné hledat nástroje k omezení zdrojů dosud opomíjených nebo pro předpokládanou bezvýznamnost přehlížených (například resuspenze, malých sídel atd.). K tomu bude třeba nejen podrobnějšího, či spíše cílenějšího monitorování, ale i výzkumu (jemné a ultrajemné částice, podíl částic formovaných z emitovaných plynů apod.). I když vztah mezi emisemi a imisemi zůstane ještě dlouho předmětem odborného studia a diskusí, naše závazky k Evropské unii, potažmo k limitům unií stanovených by měly být naplněny v horizontu patrně kratším.
OCHRANA OVZDUŠÍ 1/2002
Na tomto místě by mohl končit článek, kdyby se stále nevtírala otázka, co vlastně způsobuje nesoulad mezi evidentním meziročním poklesem emisí i imisí (jsou-li tyto brány vcelku, jako na obr. 3) na straně jedné a výraznou meziroční fluktuací měsíčních průměrů (tedy podrobnějších hodnot) na straně druhé. Výsledek naší poslední analýzy (kterou je ostatně třeba považovat za velmi hrubou, neb vychází z průměrů průměrných hodnot, ale ilustrativní) by mohl být podnětný pro další úvahy o možnostech, jak dále pozitivně ovlivnit kvalitu ovzduší (alespoň pokud se týká aerosolů), případně o rozumnosti limitů přípustného znečištění ovzduší aerosoly. Zobrazíme-li zvláš v grafech měsíční průměry koncentrací SPM v posloupnosti let (tedy zvláš ledny 93–99, únory 93–99 …atd) a odpovídající průměrné měsíční teploty, ukáže se velmi zajímavý vztah. Nižší teplota v zimních měsících (listopad až březen) znamená vyšší koncentrace SPM, zatímco v létě indikuje zvýšení koncentrací téže škodliviny naopak zvýšení teploty. Jelikož by 12 obrázků zabralo další stranu jiným příspěvkům, uvádíme v grafu souhrnně korelační koeficienty mezi teplotou a koncentrací SPM (měsíční aritmetické průměry) pro jednotlivé měsíce (obr. 4). Interpretace výsledků odhaluje tři okruhy problémů: 1) I přes postupné výrazné snižování emisí zejména z velkých zdrojů znečištění, je velmi obtížné v zimě případná zvýšení koncentrací omezit, nebo je-li chladněji, více se topí a do ovzduší uniká více tuhých látek pravděpodobně hlavně z početných a dosud neregulovaných malých a středních zdrojů; 2) A děláme co děláme a snižujeme emise ze všech zdrojů, zimní podmínky (patrně hlavně teplota a s ní související procesy) neumožňují důkladnou dispersi případně depozici aerosolu (nebo jej jinak udržují v ovzduší?); 3) Platí-li bod 1), pak asi není doprava kupodivu (zatím?) u nás významnějším faktorem znečištění ovzduší aerosoly, nebo těžko lze předpokládat, že se snižující se teplotou využívají lidé více automobily. Je-li ale emise z dopravy výrazným příspěvkem k celkové emisi (a tedy i imisi) a je-li doprava během roku víceméně stejnoměrná, mohl by platit bod 2), tedy že se v zimě děje s aerosoly něco jiného než v létě. Následně ovšem platí-li bod 2), pak je nutno uvažovat o tom, že v období výraznějších zim budou tvrdší limity stanovené EU možná stále ne-
11
bo často (z objektivních důvodů daných procesy v přízemní vrstvě atmosféry) překračovány a je otázka, zda by nebylo vhodné o vztahu teploty, koncentrací aerosolu a limitů vážněji diskutovat. Zajímavý je i další poznatek, že v letních měsících je korelace teploty a koncentrace aerosolu spíše pozitivní (zde s výjimkou června), ale to je patrně na další a delší studia a diskuse. Poděkování Studie byla podpořena z prostředků výzkumného záměru č. MSM 113100007. Děkuji pracovníkům ČHMÚ z odd. ISKO (Dr. Sládečkovi, ing. Sieglerové) za cenné konzultace a pomoc při zpracování dat, paní Daně Pýchové z odd. OK za poskytnutí některých dat o teplotě. Projekt a jeho výsledky budou použity jako případová studie pro studenty oboru ochrana životního prostředí PřFUK v Praze.
[10]
[11] [12]
[13]
[14]
[15]
LITERATURA [16] [1] Bossel, H., 1999: Indicators for Sustainable Development: Theory, Method, Applications. A report to the Balaton Group. International Institute for Sustainable Development. [2] Braniš, M., 1996: Environment in the Czech Republic: State of the art and recent development under economic and political transition. Geografie - Sborník České geografické společnosti. 101 (2): 169-179. [3] Braniš, M., Kožnarová, J. Domasová, M., 2000: Coal and wood burning as main cause of particle pollution in a rural area: Case study from the Czech Republic. J. Aerosol Sci. 31 (Suppl 1): 889-890. [4] Domasová, M., Kožnarová, J., Braniš, M., 2000: Znečištění ovzduší z lokálních zdrojů – případová studie měření koncentrací PM10 v malé obci během zimních období 1997/98 a 1998/99. Ochrana ovzduší (4-5): 26-28. [5] Ebelt, S., Brauer, M., Cyrys, J., Tuch, T., Kreyling, W.G., Wichmann, H.-E., Heinrich, J., 2001: Air quality in postunification Erfurt, East Germany: Associating changes in pollutant concentrations with changes in emissions. Environ. Health Persp. 109(4) 325-333. [6] Fenger, J., 1999: Urban air quality. Atmos. Environ. 33: 4877-4900. [7] Fiala, J., et al. 1993 – 2000: Znečištění ovzduší v České republice. Ročenky ČHMÜ [8] Fiala, J., Livorová, H., Novák, V., 2000: Zlepšila se kvalita ovzduší pod úroveň imisních limitů po dosažení emisních limitů? Ochrana ovzduší 1/2000: 1-4 [9] Fiala, Livorová H., Novák, V., Ostatnická, J., Sládeček, J., Srněnský, R., 2001: Kvalita ovzduší v České republice z pohledu Evropské unie.
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
Ochrana ovzduší 1/2001 Příloha 24 str. Havlicek, P., 1997. First Steps Toward a Cleaner Future. Environment. 39(3): 16-20, 37-41. Horáček, P., 1999: Čistší ovzduší doma. Vesmír 5:272-273. Keywood, M.D., Ayers, G.P., Gras, J.L., Gillett, R.W., Cohen, D.D., 1999: Relationships between size segregated mass concentration data and ultrafine particle number concentrations in urban areas. Atmos. Environ. 33: 2907-2913. Keywood, M.D., Ayers, G.P., Gras, J.L., Gillett, R.W., Cohen, D.D., 2000: Size distribution and sources of aerosol in Launceston, Australia, during winter 1997. J. Air & Waste Manag. Assoc. 50: 418-427. Kurfürst, J., Brix, B., Fiala, J., Stehlík, J., Weis, K., 1999: Změnila se u nás kvalita ovzduší a jeho znečištění v posledních 10 letech? Ochrana ovzduší 1/1999: 1-4. Jaecker-Voirol, A., Pelt, P., 2000: PN10 Emission inventory in Ile de France for Transport and Industrial Sources: PM10 Resuspension, a key factor for Air Quality. Environ. Modell. and Softw. SI 15: 575-581. Machálek, P., 1998: Vývoj emisí znečišujících látek v České republice. Ochrana ovzduší 2/1998: 2-4. Machálek, P., 2001: Vývoj emisí znečišujících látek v letech 1990-1999. Ochrana ovzduší 2/2001: 12-14. Moldan, B. (ed.), 1990: Životní prostředí České republiky – vývoj a stav do konce roku 1989. Academia Praha. Moldan, B., Billharz, S., 1997: Sustainability Indicators. Report of the project on Indicators of sustainable Development. SCOPE. Moldan, B., Hák, T., 2000: Czech Republic 2000 – Ten Years on: Environment and Quality of Life after Ten Years of Transition. Charles University Environment Center. Praha Moldan, B. Schnor, J.L., 1992: Czechoslovakia – Examining a Critically Ill Environment. Environ. Sci. Technol. 26 (1): 14-21. OECD 1999: Environmental Performance Review – Czech Republic. Paris, France, 200str. Pinto, J.P., Stevens, R.K., Willis, R.D., Kellogg, R., Mamane, Y., Novak, J., Santroch, J., Benes, I., Lenicek, J., Bures, V., 1998: Czech air quality monitoring and receptor modeling study. Environ. Sci. & Technol. 32: (7) 843-854. Roosli, M., Braun-Fahrlander, C., Kunzli, N., Oglesby, L., Theis, G., Camenzind, M., Mathys, P., Staehelin, J., 2000: Spatial variability of different fractions of particulate matter within an urban environment and rural sites. J. Air & Waste Manag. Assoc. 50(7)1115-1124. Tichý, M., 1999: Co je za čísly o čistším životním prostředí. Vesmír 5: 273-274. Vavroušek, J., Moldan, B. (eds.), 1989: Stav a vývoj životního prostředí v Československu. Ekologická sekce ČS biol. spol při ČSAV, Praha.
