Кіріспе
Ұсақ бөлшектердің құрамындағы компонент
Химиялық тұрғыдан қара көміртек (BC) – ұсақ бөлшектердің (аэродинамикалық диаметрі PM ≤ 2,5 мкм) құрамындағы компонент. Қара көміртек бірнеше байланысқан түрлерде таза көміртектен тұрады. Ол қазба отындарының, биоотындардың және биомассаның толық емес жануы нәтижесінде пайда болады және антропогендік және табиғи түзілген қара күлдің негізгі түрлерінің бірі болып табылады. Қара көміртек адамдардың ауруға шалдығуына және мерзімінен бұрын өлімге себеп болады. Қара көміртек атмосферада бірнеше күннен бірнеше аптаға дейін сақталады, ал күшті жылыжай газдары ұзақ өмір сүреді, мысалы, көмірқышқыл газының атмосферадағы өмір сүру мерзімі 100 жылдан асады. IPCC және басқа климат зерттеушілері қара көміртекті азайтудың қысқа мерзімді жаһандық жылынуды баяулатудың ең оңай жолдарының бірі екенін айтады. Әсіресе тропиктік аймақтарда топырақтағы қара көміртек маңызды өсімдік қоректік заттарын сіңіре алу қабілетіне байланысты құнарлылыққа елеулі үлес қосады.
Шолу
Майкл Фарадей саңның көміртектен тұратынын және көміртекті отынның толық емес жануынан пайда болатынын анықтады. "Қара көміртегі" терминін серб физигі Тихомир Новаков 1970 жылдары енгізген, ал Джеймс Хансен оны "қара көміртегі зерттеулерінің әкесі" деп атады. Түтін немесе саң қоршаған ортаға елеулі әсер ететіні анықталған алғашқы ластаушы зат болды, бірақ қазіргі атмосфералық зерттеу қауымдастығы оны соңғылардың бірі ретінде зерттеді. Саң – көру спектрінде нашар сіңіретін органикалық қосылыстардың күрделі қоспасынан және әртүрлі "элементар", "графиттік" немесе "қара көміртегі" деп аталатын, жарықты күшті сіңіретін қара компоненттен тұрады. "Элементар көміртегі" термині жылулық және ылғалды химиялық әдістермен анықтау кезінде қолданылады, ал "графиттік көміртегі" термині Раман спектроскопиясының нәтижелеріне сәйкес, саңда графитке ұқсас микрокристалл құрылымдардың бар екенін көрсетеді. "Қара көміртегі" термині осы саң компонентінің көрінетін жарықты сіңіруге жауапты екенін білдіреді. Кейде "қара көміртегі" термині саңның элементар және графиттік компоненттерімен синоним ретінде қолданылады. Оны жарық сәулесін сіңіру немесе шашырату принципіне негізделген түрлі құрылғылармен, немесе шуды өлшеу арқылы анықтауға болады.
Ертедегі жеңілдету әрекеттері
1950 жылдардың басында Лондонда көмірдің адам денсаулығына және өлім-жітімге тигізген зиянды әсері Ұлыбританияның 1956 жылғы «Таза ауа туралы» заңына әкелді. Бұл заң Ұлыбританияда күйе (саң) концентрациясының күрт төмендеуіне, содан кейін АҚШ-тың Питтсбург және Сент-Луис сияқты қалаларында да осындай төмендеуге себеп болды. Бұл азайтулар негізінен үйді жылыту үшін жұмсақ көмірді пайдалануды азайту арқылы, «көміртегі аз» көмірге немесе жанар май және табиғи газ сияқты басқа отын түрлеріне көшу арқылы жүзеге асырылды. Еуропа мен АҚШ-тың өнеркәсіптік қалаларында түтін ластануының тұрақты түрде азаюы зерттеулердің назарын күйе шығарындыларынан ауыстырды және кем дегенде АҚШ-та қара көміртекті аэрозольдің маңызды құрауышы ретінде толығымен назардан тыс қалдырды. Алайда, 1970 жылдары бірқатар зерттеулер бұл жағдайды өзгертіп, қара көміртегінің және органикалық күйе компоненттерінің АҚШ және Еуропадағы қалалық аэрозольдердегі маңызды бөлік болып қала беретінін көрсетті, бұл осы шығарындыларды жақсартуға мүмкіндік берді. Әлемнің нашар дамыған аймақтарында, онда күйе шығарындыларын бақылау шектеулі немесе мүлдем болмады, ауа сапасы халық санының өсуімен бірге нашарлай берді. Бірақ көп жылдар өткен соң ғана осы аймақтардағы шығарындылардың жаһандық әсерлер тұрғысынан өте маңызды екендігі түсінілді.
Жер атмосферасына әсер ету
Жоғарыда аталған өзгерістердің көпшілігі қалалық атмосферадағы ауа сапасына қатысты. Қара көміртектің үлкен, жаһандық контексттегі рөлінің алғашқы көріністері Арктикалық тұман құбылысын зерттеулерден туындады. Қара көміртек Арктикадағы тұманның аэрозольдерінде және Арктикадағы қарда анықталды. Әдетте, аэрозоль бөлшектері сәулелену тепе-теңдігіне әсер ете отырып, салқындату немесе жылыту әсерін тудырады, ал температураның өзгеру шамасы мен таңбасы аэрозольдің оптикалық қасиеттеріне, аэрозоль концентрациясына және төмендегі беттің альбедосына байланысты. Таза шашыратушы аэрозоль Жер-атмосфера жүйесі сіңіретін энергияны ғарышқа кері шағылыстырып, салқындату әсеріне алып келеді. Аэрозольге сіңіретін компонент қосылғанда, егер төмендегі беттің шағылысу қабілеті жеткілікті жоғары болса, Жер-атмосфера жүйесінің қызуына әкелуі мүмкін. Аэрозольдің атмосфералық радиациялық беріліске тигізетін әсерін зерттеудің бастапқы кезеңдерінде, табиғи аэрозольдердің жақсы сипаттамасы ретінде қарастырылғандықтан, аз ғана сіңіретін компоненті бар, негізінен шашыратушы аэрозоль қабылданды. Дегенмен, жоғарыда айтылғандай, қалалық аэрозольдерде қара көміртек көп және егер бұл бөлшектер жаһандық масштабта тасымалдана алса, қар немесе мұз сияқты жоғары беттік альбедосы бар беттерде жылыту әсері күтілуі мүмкін. Сонымен қатар, егер бұл бөлшектер қарға түсіп қалса, беттік альбедоның төмендеуіне байланысты қосымша жылыту әсері пайда болады.
Ғарыштық үлестіруді өлшеу және модельдеу
Қара көміртегі деңгейі көбінесе жиналған бөлшектердің фиброфильтрдің оптикалық қасиеттерін өзгеруі негізінде анықталады. Сүзгінің өткізгіштігі, сүзгінің шағылыстыру қабілеті немесе өткізгіштік пен шағылыстыру қабілетінің комбинациясы өлшенеді. Эталометрлер – сүзгі арқылы өтетін жарықтың сіңірілуінің өзгеруін оптикалық түрде анықтайтын жиі қолданылатын құрылғылар. USEPA Environmental Technology Verification бағдарламасы эталометрді де, Sunset Laboratory жылулық-оптикалық анализаторын да бағалады. Көп бұрышты сіңіру фотометрі өткізілген және шағылысқан жарықты ескереді. Балама әдістер кең аумақтар үшін спутниктік оптикалық тереңдік өлшемдеріне немесе жақында жергілікті концентрациялар үшін спектрлік шуды талдауға сүйенеді. 1970 жылдардың соңы мен 1980 жылдардың басында Батыс Арктиканың барлық аймағында қара көміртегінің күтпегендей жоғары концентрациясы байқалды. Бұл өлшемдер Солтүстік полюльді қоса алғанда, Батыс Арктика тропосферасының барлық бөліктерінде қара көміртегінің айтарлықтай концентрациясын көрсетті. Тік профильдер күшті қабатты құрылымды немесе сегіз километрге дейін дерлік біркелкі таралуды көрсетті, қабаттардағы концентрациялар АҚШ-тың орталық ендіктегі қалалық аймандардағы жер бетіндегідей жоғары болды. Бұл тік профильдерге байланысты сіңірудің оптикалық тереңдігі жоғары болды, бұл Норвегия Арктикасының тік профилімен расталды, онда қара көміртегінің басқа аэрозоль компоненттерімен сыртқы және ішкі қоспалары үшін 0,023-тен 0,052-ге дейінгі сіңірудің оптикалық тереңдігі есептелді. Бұл жылыту эффектілері сол кезде Арктиканың жылыну тенденцияларының негізгі себептерінің бірі ретінде қарастырылды, бұл туралы Энергетика департаментінің, Негізгі энергетикалық ғылымдар жетістіктерінде сипатталған.
Топырақтағы құрамы
Көбінесе, қара көміртек жалпы топырақта сақталатын органикалық көміртектің 1-6% құрайды, бірақ 60%-ға дейін қара көміртек осы көрсеткіштің үлесін құрауы мүмкін. Әсіресе тропикалық топырақтар үшін қара көміртек қоректік заттардың резервуары болып табылады. Тәжірибелер көрсеткендей, қара көміртек мөлшері аз топырақтар, қара көміртек бар топырақтарға қарағанда едәуір аз құнарлы. Бұл топырақтың құнарлылығының артуына мысал – Орталық Амазонияның Terra preta топырақтары, олар Колумбтан бұрынғы жергілікті халықтар жасаған деп есептеледі. Terra preta топырақтарындағы топырақтың органикалық заттарының (ТОЗ) мөлшері орташа есеппен үш есе жоғары, қоректік заттардың деңгейі жоғары және айналасындағы құнарсыз топырақтарға қарағанда қоректік заттарды сақтап тұру қабілеті жақсы. Осыған байланысты, тропикалық аймақтарда қолданылатын "жарып өртейтін" егіс шаруашылығы практикасы, күйдірілген өсімдіктерден қоректік заттарды босату арқылы ғана емес, сонымен қатар топыраққа қара көміртек қосып, өнімділікті арттырады. Дегенмен, тұрақты басқару үшін, қара көміртек эмиссиясын және оның ұшқыш бөліктерінің шығарылуын болдырмау үшін, "жарып көмірлендіретін" практика жақсырақ болар еді. Сонымен қатар, осы егіс шаруашылығының оң әсері үлкен аумақтарда қолданған жағдайда жойылады, себебі өсімдіктер топырақ эрозиясын тоқтатуға жеткіліксіз болады.
Суларда болуы
Өрттен қалған ерігіш және коллоидты қара көміртек ландшафтта сақталып, жер асты суларына өте алады. Жалпы планеталық деңгейде, қара көміртектың таза және тұзды су объектілеріне ағыны, өрттен пайда болатын қара көміртек өндірісінің деңгейіне шамалас.
Өңір бойынша
Дамыған елдер бұрын көміртегінің негізгі көзі болған, бірақ 1950-ші жылдары сол елдерде ластануды бақылау технологияларын қабылдаумен бұл өзгерді. Еуропалық Одақ пен АҚШ 2015 немесе 2020 жылы күшіне енетін қара көміртегін реттеуді жеделдетіп, Халықаралық теңіз ұйымының (IMO) күтіліп жатқан ережелерін қабылдауға қолдау көрсету арқылы қара көміртегі шығарындыларын одан әрі азайта алады. Қазіргі қолданыстағы ережелерді таза дизель және таза көмір технологияларын қолдануды арттыру және екінші буын технологияларды дамыту үшін кеңейтуге болады. Бүгінде қара көміртегі шығарындыларының басым бөлігі дамушы елдерден шығады және бұл үрдіс одан әрі күшеюі күтілуде. Қара көміртегінің ең ірі көздері – Азия, Латын Америкасы және Африка. Қытай мен Үндістанның үлесі жалпы көлемнің 25–35% құрайды. Қара көміртегі шығарындылары негізгі көздер аймақтарында және олардың айналасында ең жоғары деңгейде болады. Бұл қара көміртегінің салдарынан атмосфералық күн сәулесінің қызуының аймақтық ошақтарына әкеледі. 42% – ашық биомассаны жағу (орман және саваннаны жағу). 18% – дәстүрлі технологиямен жаққан тұрғын үй биомассасы. 14% – көлікке арналған дизель қозғалтқыштары. 10% – өнеркәсіптік мақсаттағы дизель қозғалтқыштары. 10% – өнеркәсіптік процестер мен электр энергиясын өндіру, әдетте кіші қазандықтардан. 6% – дәстүрлі технологиямен жаққан тұрғын үй көмірі. Қара көміртегінің көздері әр аймақта әртүрлі. Мысалы, Оңтүстік Азиядағы күйдің көп бөлігі биомассаны пісіруден туындайды, ал Шығыс Азияда тұрғын үй және өнеркәсіптік мақсаттар үшін көмірді жағу үлкен рөл атқарады. Батыс Еуропада көлік ең маңызды көз болып көрінеді, себебі жоғары концентрация негізгі жолдарға жақын орналасумен немесе (моторлы) көлікке қатысумен сәйкес келеді. Қазба отын мен биомасса күйдірілген кезде климатты салқындататын аэрозольдер мен бөлшектерге қарағанда қара көміртегінің мөлшері көп, сондықтан осы көздерді азайту өте тиімді жеңілдету шарасы болып табылады. Мысалы, дизель қозғалтқыштары мен теңіз кемелерінен шығарылатын қара көміртегінің мөлшері басқа көздерге қарағанда жоғары. Дизель қозғалтқыштары мен теңіз кемелерінен шығарылатын қара көміртегіні реттеу жаһандық жылынудың әсерін азайтуға маңызды мүмкіндік береді. Биомассаны жағу қара көміртегіден гөрі климатты салқындататын аэрозольдер мен бөлшектерді шығарады, нәтижесінде қысқа мерзімді салқындату болады. Алайда, ұзақ мерзімді перспективада биомассаны жағу CO2 шығарындыларын және орманды жоюды ескергенде, жалпы жылынуға әкелуі мүмкін. Сондықтан биомасса шығарындыларын азайту ұзақ мерзімді перспективада жаһандық жылынуды азайтады және ауаның ластануын, CO2 шығарындыларын және орманды жоюды азайту сияқты қосымша пайдалар береді. Биомассаны күлге айналдыратын, қара көміртегі мен парниктік газдарды шығаратын, кесу және күйдіруден кесу және күйдіруге ауысу арқылы, жерді пайдаланудың өзгеруінен туындаған антропогендік көміртек шығарындыларының 12% -ы жыл сайын азайтылуы мүмкін деп есептеледі. 2022 жылдың маусым айында жарияланған зерттеуде атмосфералық ғалым Кристофер Малони және оның әріптестері зымыран ұшырулар стратосферада аэрозоль деп аталатын ұсақ бөлшектерді шығарып, озон қабатының жоғалуын күшейтетінін атап өтті. Олар климаттық модельді пайдаланып, зымыранның қозғалтқышынан шығатын қара көміртегінің әсерін анықтады. Зымыран ұшырулардың саны артуының әртүрлі сценарийлерін пайдаланып, олар жыл сайын зымырандар төменгі шекте 1 гигаграммнан 10 гигаграммға дейін, ал ең жоғары шекте 30-100 гигаграммға дейін қара көміртегі шығара алатынын анықтады.
18% Residential biomass burned with traditional technologies. 14% Diesel engines for transportation. 10% Diesel engines for industrial use. 10% Industrial processes and power generation, usually from smaller boilers. 6% Residential coal burned with traditional technologies. Black carbon sources vary by region. For example, the majority of soot emissions in South Asia are due to biomass cooking, whereas in East Asia, coal combustion for residential and industrial uses plays a larger role. In Western Europe, traffic seems to be the most important source since high concentrations coincide with proximity to major roads or participation to (motorized) traffic. Fossil fuel and biomass soot have significantly greater amounts of black carbon than climate cooling aerosols and particulate matter, making reductions of these sources particularly powerful mitigation strategies. For example, emissions from the diesel engines and marine vessels contain higher levels of black carbon compared to other sources. Regulating black carbon emissions from diesel engines and marine vessels therefore presents a significant opportunity to reduce black carbon's global warming impact. Biomass burning emits greater amounts of climate cooling aerosols and particulate matter than black carbon, resulting in short term cooling. However, over the long term, biomass burning may cause a net warming when CO2 emissions and deforestation are considered. Reducing biomass emissions would therefore reduce global warming in the long term and provide co benefits of reduced air pollution, CO2 emissions, and deforestation. It has been estimated that by switching to slash and char from slash and burn agriculture, which turns biomass into ash using open fires that release black carbon and GHGs, 12% of anthropogenic carbon emissions caused by land use change could be reduced annually,
In a research study published in June 2022, atmospheric scientist Christopher Maloney and his colleagues noted that rocket launches release tiny particles called aerosols in the stratosphere and increase ozone layer loss. They used a climate model to determine the impact of the black carbon coming out of the rocket's engine nozzle. Using various scenarios of growing number of rocket launches, they found that each year, rocket launches could expel 1–10 gigagrams of black carbon at the lower end to 30–100 gigagrams at the extreme end in next few decades.
Тиісті әсерлері
Қара көміртек – ауаға таратылған өте ұсақ бөлшектердің бір түрі, ол адам өлімін және денсаулыққа келетін зиянды ертерек тудырады. Бұған қоса, атмосфералық қара көміртек климат жүйесінің сәулелік энергия тепе-теңдігін өзгертіп, ауа және жер беті температурасын көтеріп, адамдарға, егіншілікке, сондай-ақ өсімдіктер мен жануарлардың экожүйелеріне түрлі зиянды экологиялық салдарлар келтіреді.
Қоғамдық денсаулыққа әсері
Қалдық бөлшектер Еуропадағы барлық ауа ластаушы заттардың ішінде халық денсаулығына ең зияндысы болып табылады. Қара көміртегі бөлшектерінде өте ұсақ канцерогендер бар, сондықтан олар ерекше зиянды. Атмосферадағы қара көміртегі мөлшерін азайтуға қолданылатын қолда бар шаралар арқылы жыл сайын 640 000-нан 4 900 000-ға дейін ерте өлімнің алдын алуға болады деп есептеледі. Адамдар жергілікті көздерге жақын ауа тыныс алып, қара көміртегіне ұшырайды. Маңызды ішкі көздерге шамдар мен биомассаны жағу жатады, ал көлік және кейде орман өрттері қара көміртегіне ұшыраудың негізгі сыртқы көздері болып табылады. Қара көміртегінің концентрациясы (көлік) көздерінен қашықтық артқан сайын күрт төмендейді, бұл оны қалдық бөлшектердің ерекше құрауышы етеді. Бұл халықтың ұшырауын бағалауды қиындатады. Қалдық бөлшектерге қатысты эпидемиологиялық зерттеулер дәстүрлі түрде бірнеше бекітілген нүктедегі өлшемдерге немесе тұру орындарындағы концентрацияны есептеуге сүйенген. Жақындағы зерттеулер көрсеткендей, қара көміртегі көлікте және басқа да жерлерде, тіпті үй мекенжайындағыдай көп мөлшерде жұтылады. Экспозицияның көп бөлігі қысқа мерзімді, жоғары концентрациялы шарықтар түрінде жүрсе де, осы шарықтарды қалай анықтауға және олардың жиілігі мен денсаулыққа тигізетін әсерін қалай анықтауға болатыны белгісіз. Көлік жүргізу кезінде жоғары концентрациялы шарықтар кездеседі. Көлік құралдарындағы қара көміртегінің жоғары концентрациясы сағаттардағы қозғалыс кезінде, тас жолдарда және тығыз қозғалыста жүргізумен байланысты. Тіпті қара көміртегінің салыстырмалы түрде төмен концентрациясы ересектердің өкпе функциясына тікелей әсер етеді және балалардың тыныс алу жүйесіне қабыну әсерін тигізеді. Жақындағы зерттеу көрсеткендей, қара көміртегі дене белсенділігімен бірге қан қысымына әсер етпейді. Көмір және басқа да қалдық бөлшектер мөлшерін азайтудың денсаулыққа пайдасы көп жылдар бойы мойындалған. Алайда, жоғары концентрация Азияның өнеркәсіптік дамып келе жатқан аймақтарында және Чикаго сияқты Батыс қалаларында сақталып қалған. Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымының (ДДҰ) бағалауынша, ауаның ластануы жылына шамамен екі миллион ерте өлімге себеп болады. Қара көміртегіні азайту арқылы, майда қалдық бөлшектердің негізгі құрауышы, ауаның ластануынан туындайтын денсаулық тәуекелдері төмендейді. Шын мәнінде, халық денсаулығына қатысты алаңдаушылық дизельдік көліктер мен пештерден шығатын эмиссияны азайту сияқты осы эмиссияны азайтуға бағытталған көптеген күш-жігерге әкелді.
Климатқа әсер ету
Тікелей әсер: Қара көміртек бөлшектері тікелей күн сәулесін сіңіреді және атмосферадағы кезде планетаның альбедосын азайтады. Жартылай тікелей әсер: Қара көміртек кіріс күн радиациясын сіңіріп, атмосфераның температуралық құрылымын өзгертеді және бұлт жабуын ықпалдастырады. Әртүрлі жағдайларда бұлттылықты арттыруы немесе азайтуы мүмкін. Қар/мұз альбедо әсері: Қар және мұз сияқты жоғары альбедоға ие беттерге қонған кезде, қара көміртек бөлшектері күн энергиясын кеңістікке шағылыстыру үшін қолда бар жалпы бет альбедосын азайтады. Бастапқы қар альбедосының азаюы оң кері байланыс нәтижесінде үлкен мәжбүрлеуге (forcing) әкелуі мүмкін: Азайған қар альбедосы жер бетінің температурасын арттырады. Жер бетінің температурасының жоғарылауы қар жамылғысын азайтады және беттік альбедоны одан әрі төмендетеді. Жанама әсер: Қара көміртек бұлттардың қасиеттері мен мінез-құлқындағы өзгерістер арқылы күн сәулесінің сіңірілуіне немесе шағылысуына да жанама түрде әсер етуі мүмкін. 2013 жылы жариялануға жоспарланған зерттеулер қара көміртек климаттың өзгеруінде көмірқышқыл газынан кейін екінші орында тұратынын көрсетеді. Әсерлер күрделі, түрлі факторлардың нәтижесінде туындайды, бірақ атмосферадағы қара көміртек өмірінің қысқа болуына байланысты – көмірқышқыл газы ғасырлар бойы сақталар алса, қара көміртек шамамен бір апта ғана сақталады, – қара көміртекке бақылау климаттың жылынуын баяулатуға немесе тіпті кері қайтаруға мүмкіндік береді.