Введение

Компонент мелкодисперсной пыли

В химическом отношении, сажа (BC) является компонентом мелкодисперсной пыли (PM ≤ 2,5 мкм в аэродинамическом диаметре). Сажа состоит из чистого углерода в различных связанных формах. Она образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива, биотоплива и биомассы и является одним из основных типов частиц как в антропогенной, так и в природной саже. Сажа вызывает заболеваемость и преждевременную смертность населения. Сажа находится в атмосфере всего несколько дней или недель, в то время как мощные парниковые газы имеют более длительный срок жизни – например, у углекислого газа он превышает 100 лет. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) и другие климатологи предполагают, что сокращение выбросов сажи – один из самых эффективных способов замедлить краткосрочное глобальное потепление. Особенно в тропиках сажа в почве значительно способствует повышению плодородия, поскольку способна поглощать важные питательные вещества для растений.

Обзор

Майкл Фарадей установил, что сажа состоит из углерода и образуется в результате неполного сгорания углеродсодержащего топлива. Термин «чёрный углерод» был предложен сербским физиком Тихомиром Новаковым, которого Джеймс Хансен в 1970-х годах назвал «крестным отцом исследований чёрного углерода». Дым или сажа стали первыми загрязняющими веществами, признанными оказывающими значительное воздействие на окружающую среду, но при этом одними из последних, которые были изучены современным сообществом исследователей атмосферы. Сажа состоит из сложной смеси органических соединений, слабо поглощающих в видимой области спектра, и сильно поглощающего чёрного компонента, который называют «элементарным», «графитическим» или «чёрным углеродом». Термин «элементарный углерод» использовался в сочетании с термохимическими и влажнохимическими методами определения, а термин «графитический углерод» указывает на наличие в саже микрокристаллических структур, подобных графиту, что подтверждается спектроскопией Рамана. Термин «чёрный углерод» используется для обозначения того, что именно этот компонент сажи в основном отвечает за поглощение видимого света. Термин «чёрный углерод» иногда используется как синоним как элементарного, так и графитического компонента сажи. Его можно измерять с помощью различных приборов, основанных на поглощении или рассеянии светового луча, или получать на основе измерений шума.

Ранние попытки смягчения последствий

Катастрофические последствия загрязнения от угля для здоровья и смертности населения в Лондоне в начале 1950-х годов привели к принятию в Великобритании Закона о чистом воздухе 1956 года. Этот закон вызвал резкое снижение концентрации сажи в Соединенном Королевстве, за которым последовали аналогичные сокращения в городах США, таких как Питтсбург и Сент-Луис. Эти сокращения были достигнуты главным образом за счет уменьшения использования мягкого угля для бытового отопления путем перехода на "бездымный" уголь или другие виды топлива, такие как мазут и природный газ. Постепенное снижение загрязнения дымом в промышленных городах Европы и Соединенных Штатов привело к изменению приоритетов в исследованиях, сместив внимание от выбросов сажи и вызвав почти полное игнорирование черного углерода как значительного компонента аэрозолей, по крайней мере, в Соединенных Штатах. Однако в 1970-х годах ряд исследований существенно изменили эту ситуацию и показали, что черный углерод, а также органические компоненты сажи продолжали оставаться важной составляющей городских аэрозолей в Соединенных Штатах и Европе, что привело к усилению контроля за этими выбросами. В менее развитых регионах мира, где контроль за выбросами сажи был ограничен или отсутствовал, качество воздуха продолжало ухудшаться по мере роста населения. Лишь спустя много лет стало общепризнанным, что с точки зрения глобальных последствий выбросы из этих регионов имели чрезвычайно важное значение.

Влияние на атмосферу Земли

Большинство из вышеперечисленных разработок относятся к качеству воздуха в городских атмосферах. Первые указания на роль черного углерода в более широком глобальном контексте появились в результате исследований явления арктической дымки. Черный углерод был идентифицирован в аэрозолях арктической дымки и в арктическом снегу. В целом, частицы аэрозоля могут влиять на радиационный баланс, приводя к эффекту охлаждения или нагрева, при этом величина и знак изменения температуры во многом зависят от оптических свойств аэрозоля, концентрации аэрозоля и альбедо подстилающей поверхности. Аэрозоль, рассеивающий свет исключительно, отражает энергию, которая обычно поглощается системой Земля-атмосфера, обратно в космос, что приводит к охлаждению. При добавлении поглощающего компонента к аэрозолю это может привести к нагреву системы Земля-атмосфера, если отражательная способность подстилающей поверхности достаточно высока. Ранние исследования влияния аэрозолей на атмосферный радиационный перенос в глобальном масштабе исходили из предположения о преобладающем рассеянии аэрозоля и наличии лишь небольшого поглощающего компонента, поскольку это представлялось хорошим приближением к естественным аэрозолям. Однако, как было обсуждено выше, городские аэрозоли содержат значительную долю черного углерода, и если эти частицы могут переноситься в глобальном масштабе, то следует ожидать эффекта нагрева поверхностей с высоким альбедо, таких как снег или лед. Более того, при осаждении этих частиц в снег возникнет дополнительный эффект нагрева из-за снижения альбедо поверхности.

Измерение и моделирование пространственного распределения

Уровни черного углерода чаще всего определяются на основе изменения оптических свойств волоконного фильтра, вызванного осевшими на него частицами. Измеряется пропускание фильтра, отражательная способность фильтра или их комбинация. Эфалометры – часто используемые приборы, которые оптически регистрируют изменение поглощения света, проходящего через фильтр. Программа проверки экологических технологий USEPA оценила как эфалометр, так и термический оптический анализатор лаборатории Sunset. Многоугольный абсорбционный фотометр учитывает как проходящий, так и отраженный свет. Альтернативные методы основаны на спутниковых измерениях оптической глубины для больших территорий или, в последнее время, на спектральном шумовом анализе для определения очень локальных концентраций. В конце 1970-х и начале 1980-х годов на западе Арктики были зафиксированы неожиданно высокие концентрации черного углерода у поверхности земли. Эти измерения показали значительные концентрации черного углерода, обнаруженные во всей западной арктической тропосфере, включая Северный полюс. Вертикальные профили демонстрировали либо ярко выраженную слоистую структуру, либо почти однородное распределение на высоте до восьми километров, с концентрациями в слоях, сопоставимыми с типичными городскими районами умеренных широт в Соединенных Штатах. Оптические глубины поглощения, соответствующие этим вертикальным профилям, были высокими, что подтверждается вертикальным профилем над норвежской Арктикой, где рассчитаны оптические глубины поглощения от 0,023 до 0,052 для внешних и внутренних смесей черного углерода с другими компонентами аэрозоля соответственно. В то время эти эффекты нагрева рассматривались как потенциально одна из основных причин тенденций к потеплению Арктики, как описано в Архивах Департамента энергетики, Основные достижения в области фундаментальных энергетических наук.

Наличие в почвах

Обычно на долю черного углерода приходится от 1 до 6%, но в некоторых случаях он может составлять до 60% от общего количества органического углерода, содержащегося в почвах. Особенно в тропических почвах черный углерод служит резервуаром питательных веществ. Эксперименты показали, что почвы с низким содержанием черного углерода значительно менее плодородны, чем почвы, богатые им. Примером повышенной плодородия почвы являются почвы Terra preta в центральной Амазонии, которые, предположительно, были созданы коренными народами доколумбовой эпохи. Почвы Terra preta содержат в среднем в три раза больше органического вещества (SOM), имеют более высокий уровень питательных веществ и лучшую способность к их удержанию, чем окружающие неплодородные почвы. В этом контексте практика подсечно-огневого земледелия, распространенная в тропических регионах, повышает продуктивность не только за счет высвобождения питательных веществ из сгоревшей растительности, но и за счет внесения черного углерода в почву. Однако для устойчивого управления предпочтительнее использовать практику срезки и обугливания, чтобы предотвратить высокие выбросы газов и летучего черного углерода. Кроме того, положительный эффект от этого вида земледелия снижается при использовании на больших площадях, когда растительность не обеспечивает защиту от эрозии почвы.

Наличие в водах

Растворимый и коллоидный черный углерод, остающийся в ландшафте после лесных пожаров, может проникать в грунтовые воды. В мировом масштабе поступление черного углерода в пресные и соленые водоемы сопоставимо с темпами его образования при лесных пожарах.

По регионам

Развитые страны когда-то были основным источником выбросов черного углерода, но это начало меняться в 1950-х годах с внедрением технологий контроля загрязнения в этих странах. Европейский Союз и Соединенные Штаты могут еще больше сократить свои выбросы черного углерода, ускорив реализацию действующих нормативных актов по черному углероду, которые вступают в силу в 2015 или 2020 году, и поддерживая принятие предстоящих правил Международной морской организации (IMO). Существующие правила также могут быть расширены для увеличения использования чистых дизельных и угольных технологий и разработки технологий второго поколения. Сегодня большая часть выбросов черного углерода приходится на развивающиеся страны, и эта тенденция, как ожидается, будет усиливаться. Крупнейшие источники черного углерода находятся в Азии, Латинской Америке и Африке. На Китай и Индию вместе приходится 25–35% глобальных выбросов черного углерода. Выбросы черного углерода наиболее высоки вблизи и в регионах основных источников. Это приводит к образованию региональных зон повышенного атмосферного солнечного нагрева из-за черного углерода. 42% – открытое сжигание биомассы (сжигание лесов и саванн). 18% – сжигание биомассы в жилых помещениях с использованием традиционных технологий. 14% – дизельные двигатели для транспорта. 10% – дизельные двигатели для промышленного использования. 10% – промышленные процессы и выработка электроэнергии, как правило, на небольших котлах. 6% – сжигание угля в жилых помещениях с использованием традиционных технологий. Источники черного углерода различаются в зависимости от региона. Например, основная часть выбросов сажи в Южной Азии связана с приготовлением пищи на биомассе, в то время как в Восточной Азии большую роль играет сжигание угля для бытовых и промышленных нужд. В Западной Европе, по-видимому, наиболее важным источником является транспорт, поскольку высокие концентрации совпадают с близостью к основным дорогам или интенсивным движением. Сажа от ископаемого топлива и биомассы содержит значительно больше черного углерода, чем аэрозоли и твердые частицы, охлаждающие климат, что делает сокращение этих источников особенно эффективной стратегией смягчения последствий. Например, выбросы от дизельных двигателей и морских судов содержат более высокие уровни черного углерода по сравнению с другими источниками. Поэтому регулирование выбросов черного углерода от дизельных двигателей и морских судов открывает значительные возможности для снижения влияния черного углерода на глобальное потепление. Сжигание биомассы выделяет большее количество аэрозолей и твердых частиц, охлаждающих климат, чем черного углерода, что приводит к краткосрочному охлаждению. Однако в долгосрочной перспективе сжигание биомассы может привести к чистому потеплению, если учитывать выбросы CO2 и обезлесение. Сокращение выбросов биомассы позволит в долгосрочной перспективе снизить глобальное потепление и обеспечит дополнительные преимущества в виде сокращения загрязнения воздуха, выбросов CO2 и обезлесения. По оценкам, переход от подсечно-огневой системы земледелия к системе с использованием порубочных остатков и обугливания, которая превращает биомассу в золу с использованием открытого огня, выделяющего черный углерод и парниковые газы, может ежегодно сократить 12% антропогенных выбросов углерода, вызванных изменением землепользования. В исследовании, опубликованном в июне 2022 года, ученый-атмосферик Кристофер Малони и его коллеги отметили, что запуски ракет выделяют крошечные частицы, называемые аэрозолями, в стратосферу и усиливают разрушение озонового слоя. Они использовали климатическую модель для определения влияния черного углерода, выбрасываемого из сопла ракетного двигателя. Используя различные сценарии роста числа запусков ракет, они обнаружили, что ежегодно запуски ракет могут выбрасывать от 1 до 10 гигаграммов черного углерода в нижнем диапазоне и до 30–100 гигаграммов в крайнем случае в ближайшие несколько десятилетий.

Влияние

Черный углерод – это форма ультрадисперсных частиц, выброс которых в атмосферу приводит к преждевременной смертности и заболеваемости людей. Кроме того, атмосферный черный углерод изменяет радиационный энергетический баланс климатической системы, что вызывает повышение температуры воздуха и поверхности и влечет за собой разнообразные негативные последствия для окружающей среды, сельского хозяйства, растительных и животных экосистем.

Влияние на здоровье населения

Из всех загрязняющих веществ воздуха в Европе твёрдые частицы наиболее вредны для здоровья населения. Твёрдые частицы, содержащие чёрный углерод, включают в себя очень мелкие канцерогены и поэтому особенно опасны. По оценкам, использование доступных мер по снижению выбросов чёрного углерода в атмосферу могло бы ежегодно предотвращать от 640 000 до 4 900 000 преждевременных смертей. Люди подвергаются воздействию чёрного углерода при вдыхании воздуха вблизи локальных источников. Важными источниками воздействия в помещении являются свечи и сжигание биомассы, а основными источниками на открытом воздухе – транспорт и, эпизодически, лесные пожары. Концентрация чёрного углерода резко снижается по мере удаления от источников (в частности, от транспорта), что делает его атипичным компонентом твёрдых частиц. Это затрудняет оценку воздействия на население. В исследованиях твёрдых частиц эпидемиологи традиционно опирались на измерения в одной точке или на оценки концентраций в жилых помещениях. Однако недавние исследования показали, что вдыхается столько же чёрного углерода в дорожном движении и в других местах, сколько и дома. Несмотря на то, что значительная часть воздействия приходится на кратковременные пики высоких концентраций, до сих пор неясно, как определить эти пики и оценить их частоту и влияние на здоровье. Высокие пиковые концентрации наблюдаются во время вождения автомобиля. Высокие концентрации чёрного углерода в автомобилях связаны с вождением в часы пик, на автомагистралях и в плотном потоке. Даже относительно низкие концентрации чёрного углерода оказывают прямое воздействие на функцию лёгких у взрослых и вызывают воспаление дыхательной системы у детей. Недавнее исследование не выявило влияния чёрного углерода на кровяное давление в сочетании с физической активностью. Польза для здоровья населения от сокращения сажи и других твёрдых частиц признаётся уже много лет. Однако высокие концентрации сохраняются в индустриализирующихся регионах Азии и в городах на Западе, таких как Чикаго. По оценкам ВОЗ, загрязнение воздуха ежегодно вызывает почти два миллиона преждевременных смертей. Сокращение выбросов чёрного углерода, основного компонента мелких твёрдых частиц, позволит снизить риски для здоровья, связанные с загрязнением воздуха. Фактически, обеспокоенность общественным здоровьем привела к многочисленным усилиям по сокращению этих выбросов, например, от дизельных автомобилей и кухонных плит.

Влияние на климат

Прямое воздействие. Частицы черного углерода непосредственно поглощают солнечный свет и уменьшают планетарное альбедо, находясь во взвешенном состоянии в атмосфере. Полупрямое воздействие. Черный углерод поглощает входящее солнечное излучение, изменяет температурную структуру атмосферы и влияет на облачность. В зависимости от условий он может как увеличивать, так и уменьшать облачность. Воздействие на альбедо снега и льда. При осаждении на поверхности с высоким альбедо, такие как лед и снег, частицы черного углерода уменьшают общее альбедо поверхности, доступное для отражения солнечной энергии обратно в космос. Небольшое первоначальное снижение альбедо снега может привести к значительному эффекту форсирования из-за положительной обратной связи: уменьшение альбедо снега повышает температуру поверхности, что, в свою очередь, уменьшает снежный покров и еще больше снижает альбедо поверхности. Косвенное воздействие. Черный углерод также может косвенно изменять поглощение или отражение солнечного излучения, влияя на свойства и поведение облаков. Исследование, запланированное к публикации в 2013 году, показывает, что роль черного углерода в изменении климата уступает только роли углекислого газа. Эффекты сложны и обусловлены множеством факторов, но благодаря короткому времени жизни черного углерода в атмосфере – около недели по сравнению с углекислым газом, который сохраняется на протяжении столетий – контроль над выбросами черного углерода открывает возможности для замедления или даже обращения вспять потепления климата.