Dym w powietrzu: jak ognie sztuczne wpływają na jakość powietrza Teach article

Tłumaczenie Marta Tondera. Czy wiesz, że zanieczyszczenie powietrza spowodowane przez fajerwerki może być zmierzone? Tim Harrison i Dudley Shallcross z Uniwersytetu w Bristolu w Anglii wyjaśniają jak zbadać na lekcji zanieczyszczenie powietrza.

Fajerwerki na święcie rzeki
Chikugo w Kurume, Fukuoka
w Japonie, 5 sierpnia 2011

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Kurume-Shimin; źródło
zdjęcia: Wikimedia Commons

Czy to w Sylwestra,czy podczas Guy Fawkes Night (angielskie święto 5 listopada przyp. tłum.) czy Diwali (hinduistyczne święto światła przyp. tłum), większość z nas widziała pokaz fajerwerków i każdy zapamiętał eksplozje i deszcz kolorowych promieni. Ale co z dymem siarkowym? Naukowcy badający atmosferę Ziemi wykazali, że fajerwerki wpływają na jakość powietrza nawet gdy wybuchy i błyski już dawno zniknęły.,

Po corocznym święcie Guy Fawkes Night w Wielkiej Brytanii zaobserwowano znacznie wyższy niż normalnie poziom cząstek (dymu i sadzy) wydzielonych przez spalanie ogni sztucznych, jak również wysokie stężenie jonów metali takich jak magnez które wchodzą w skład fajerwerków. Pokazy te zostały również skojarzone z podniesionym poziomem innych cząsteczek np. dwutlenku azotu (NO2) i siarki (SO2). Podobne spostrzeżenia poczyniono po obchodach święta Diwali w mieście Hisar w Indiach w listopadzie 1999 roku, w niemieckiej Moguncji podczas nocy sylwestrowej 04/05, podczas Święta Latarni w Pekinie w 2006 roku i w Mediolanie w noc po zdobyciu mistrzostwa świata w piłce nożnej przez Włochów w 2006 roku (Drewnick et al., 2006; Ravindra et al. 2003; Vecchi et al., 2008; Wang et al., 2007).

Badanie jakości powietrza w szkole

Piękny zachód słońca w
Bombaju w Indiach wywołany
przez obecność cząstek
stałych

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bm1996; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Wspólnie z uczniami możesz zanalizować efekty fajerwerków na jakość powietrza. My pracowaliśmy z uczniami angielskiego gimnazjum i liceum, chcąc zbadać wpływ święta Guy Fawkes Night na jakość powietrza (patrz podziękowania). Projekt był oparty na wprowadzeniu do użytkowania baz danych, które zawierają pomiary poziomu wielu substancji zanieczyszczających powietrze,(prawdziwa skarbnica dla szkół), ale przeprowadziliśmy również prawdziwe badania w szkole.

Zagadnienie jakości powietrza może stanowić urozmaicenie lekcji z różnych przedmiotów. Chemia i fizyka fajerwerków zawierają wiele interesujących tematów, takich jak spalanie, dźwięk, światło oraz szkodliwe substancje wydzielane w czasie pokazów ogni sztucznych. Mogą być również potraktowane jako podstawa głębszej dyskusji o naturze zanieczyszczenia powietrza: przyczynach i efektach, takich jak kwaśne deszcze i zmiana klimatu. Te ostatnie są tematami omawianymi na biologii, geografii czy wychowaniu zdrowotnym. Analiza danych świetnie nadaje się do ożywienia lekcji matematyki i informatyki.

Informacje o substancjach zanieczyszczających powietrze wypuszczonych przez fajerwerki oraz szczegóły ich składu chemicznego są dostępne na stronie Science in Schoolw1. Więcej informacji na temat zanieczyszczenia powietrza znajduje się na stronie UK-AIRw2.

Bazy danych

Fajerwerki na święcie
Nagaoka w Japonii

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Kropsoq; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Do przeprowadzenia badania potrzebny jest dostęp do bazy danych jakości powietrza z co najmniej codziennymi pomiarami w wybranym regionie. Brytyjskie archiwumw2 czawiera mierzone co godzinę poziomy wielu związków chemicznych: zanieczyszczenia pierwotne (wydzielone bezpośrednio), np. NO, NO2, CO i SO2, węglowodory i cząstki stałe oraz zanieczyszczenia wtórne (powstałe ze związków pierwotnych, np. ozon. Dane są zbierane z ok. 186 punktów w Wielkiej Brytanii, w miejscach tak różnych jak autostrady i trudno dostępne miejsca, gdzie mierzy się zanieczyszczenie tła. Niektóre z tych stacji działają od lat 70., dając niesamowity zbiór danych. Autorzy chętnie podejmą się współpracy z grupami uczniów chcących interpretować dane z tych pomiarów.

Dla zainteresowanych zanieczyszczeniem na Malcie, polecamy dane z Malta Environment and Planning Authorityw3 zawierające dane dotyczące CO, NO, NO2 i O3.

Aby znaleźć dane z innego kraju europejskiego, AirBasew4 prowadzone przez Europejską Agencję Środowiska dostarcza danych dla większej części Europy. Jednakże te pliki są bardzo duże i ich ściągnięcie wymaga więcej czasu, a ich zrozumienie jest trudniejsze niż danych z Anglii czy Malty. (Dla danych z Polski patrz www.gios.gov.pl/artykuly/116/Jakosc-powietrza-on-line przyp. tłum.)

Nasze wyniki

Fajerwerki noworoczne
2010/2011 w Pradze w
Czechach

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Karelj; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Przeanalizowaliśmy poziom cząstek stałych (PM) z wszystkich dostępnych stacji Wielkiej Brytanii z okresu święta Guy Fawkes Night w 2009 roku. PM są to cząstki stałe lub ciekłe zawieszone w gazie. Klasyfikuje się je według rozmiaru PM10 (średnica 10 µm lub mniej), PM2.5 (średnica 2.5 µm lub mniej), PM1 (1 µm lub mniej) i ultradrobne (0.1 µm lub mniej). Spalanie ogni sztucznych wytwarza wszystkie rodzaje cząstek, ale głównie mniejsze cząsteczki (np. PM2.5) sadzy, podczas gdy ogniska dają większe cząsteczki. PM powstają również w przemyśle budowlanym oraz pochodzą z przyrody np. pyłek kwiatowy, sól morska lub niesione wiatrem drobiny gleby. Zwiększony poziom tych cząstek powoduje choroby układu krążenia i układu oddechowego; mniejsze cząsteczki są wyjątkowo niezdrowe, ponieważ mogą wniknąć głębiej w układ oddechowy. PM wpływają również na klimat: cząsteczki sadzy ocieplają klimat, a przedmioty odbijające go chłodzą.

Jako przykład (Grafika 1) pokazany jest poziom PM2.5 i PM10 w centrum Reading, studenckiego miasta na południu Anglii. Chociaż Guy Fawkes Night wypada 5 listopada, często obchodzona jest w najbliższy weekend. Te dane z dni od 5 do 9 listopada 2009 pokazują najwyższy poziom cząstek 7 listopada (w sobotę). Porównując dane z tego dnia z roczną średnią w 2009 roku, widzimy że poziom PM w tę sobotę wzrósł siedmiokrotnie (patrz Grafika 1).

Grafika 1: poziom PM10 i PM2.5 w centrum Reading, UK. Dane z 7 listopada 2009 oraz roczna średnia w 2009 roku.
Niebieski – PM2.5 7 listopada 2009, czerwony – PM10 7 listopada 2009, zielony – średnia PM2.5 w roku 2009, fioletowy – średnia PM10 w roku 2009

Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Tim Harrison i Dudley Shallcross

 

Ponieważ PM2.5 to wszystkie cząsteczki mniejsze niż 2.5 μm, a poziom PM10 i PM2.5 jest właściwie ten sam, wiemy że wwiększości wytworzone cząsteczki są bardzo małe i wyjątkowo szkodliwe dla systemu oddechowego. Bardzo trudno jest określić poziom bezpieczeństwa, ale europejskie limity stężenia PM10 to rocznie maks. 40 μg/m3,a dziennie maks. 50 μg/m3. Limitów nie można przekraczać więcej niż 35 razy w roku kalendarzowym. Średnia z nocy 7 listopada to 34.7 μg/m3, a więc mniej niż dozwolony poziom, ale dużo więcej niż średnia z roku 2009. W innych miejscach w Anglii, zauważyliśmy przekroczone limity stężenia PM10.

Fotomontaż sześciu zdjęć
fajerwerków z Guy Fawkes
Night z pokazu w
Roundwood Park w
Harlesden w Londynie

Zdjęcie dzięki uprzejmości Billy
Hicks; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Badania

Wymienione bazy danych dają możliwość badania w szkole wielu problemów, nie tylko tych związanych z zanieczyszczeniami spowodowanymi przez fajerwerki. Na przykład:

  • Narysuj wykres poziomu kilku substancji przed, podczas i po pokazach fajerwerków (np. Sylwester). Której substancji najpierw przybywa? Która ujawnia się po dłuższym czasie? Czy ilość wszystkich związków się zmienia? Czemu tak lub czemu nie?
  • Używając danych z różnych miejsc objętych z bazie danych, porównaj poziom jednej substancji (np. tlenku węgla) w miastach i na wsi. Jakie jest wytłumaczenie tych obserwacji?
  • Jaka jest różnica w poziomie ozonu w różnych miejscach i o różnych porach dnia?
  • W Europie wiatr wieje głównie z zachodu. Czy możesz znaleźć wzór w jakości powietrza od wschodu na zachód?

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować następującym nauczycielom i uczniom, którzy uczestniczyli w badaniach nad jakością powietrza w Anglii: dr. Oznur Kemal (nauczyciel), Sophie Danby, Marta Tondera, Kelly Lam Ho, Candice Chan Ting Yan, Boni Chau Bo, Jenny Chow Kar Yee, Christine Fong Chi, Sophie Hawkins, Charlotte Hooper, Annabelle Fricker, Siobhan Stewart and Emma Tremewan z Leweston School w Dorset, Naomi Shallcross, Beth Shallcross i Esther Shallcross z Gordano School w Portishead oraz John Jones (nauczyciel), Beth Jones i Cat Wood z Cheltenham College w Cheltenham.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Drewnick F et al. (2006) Measurement of fine particulate and gas-phase species during the New Year’s fireworks 2005 in Mainz, Germany. Atmospheric Environment 40: 4316-4327. doi: 10.1016/j.atmosenv.2006.03.040
  • Ravindra K, Mor S, Kaushik CP (2003) Short-term variation in air quality associated with firework events: a case study. Journal of Environmental Monitoring 5: 260-264. doi: 10.1039/B211943A
  • Vecchi R, et al. (2008) The impact of fireworks on airborne particles. Atmospheric Environment 42: 1121-1132. doi: 10.1016/j.atmosenv.2007.10.047
  • Wang Y, et al. (2007). The air pollution caused by the burning of fireworks during the lantern festival in Beijing. Atmospheric Environment 41: 417-431. doi: 10.1016/j.atmosenv.2006.07.043

Web References

Resources

  • Russell MS (2000) The Chemistry of Fireworks. Cambridge, UK: The Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85404-598-8

Author(s)

Dudley Shallcross (d.e.shallcross@bristol.ac.uk) jest profesorem chemii atmosferycznej na Uniwersytecie w Bristolu. Tim Harrison (t.g.harrison@bristol.ac.uk) jest dyrektorem w Bristol ChemLabS na Uniwersytecie w Bristolu. Obaj często publikują artykuły w Science in School.


Review

Nie wszystko złoto co się świeci. Popularny zwyczaj puszczania pięknych ogni sztucznych po zwycięskim meczu lub podczas kilkudniowego święta, może przyczyniać się do zanieczyszczenia powietrza. Ten artykuł podsuwa nauczycielom pomysły pokazania kwestii zanieczyszczenia powietrza przy użyciu danych z dni, gdy duże ilości gazów i cząsteczek stałych są wypuszczane podczas pokazów fajerwerków. Uczniowie dostają możliwość przeprowadzenia prawdziwego naukowego badania, zamiast wykonywać doświadczenia w szkolnym laboratorium mogą zanurzyć się w świecie nauki, pracując nad poprawą naszego środowiska.

Artykuł może zostać użyty na lekcjach przedmiotach ścisłych: chemii (właściwości i reakcje związków metali: spalanie, stabilność związków, utleniacze), fizyki (napęd, światło i dźwięk), biologii lub higieny (wpływ zanieczyszczenia na drogi oddechowe, astma). Może zostać użyty międzyprzedmiotowo do przemyśleń nad globalnym ociepleniem.

Jeśli szkoła może wypożyczyć potrzebny sprzęt (np. od uniwersytetu), uczniowie mogą nawet wykonać własne pomiary jakości powietrza, które pokażą im techniczną stronę analizy, zapisywanie i przetwarzanie danych, porównywanie i analiza błędu. Swoje odkrycia mogą przedstawić lokalnym władzom, na własnej skórze sprawdzając jak wiarygodne dane naukowe mogą wywrzeć nacisk na polityków i potencjalnie wywołać pozytywne zmiany.


Angela Charles, Malta




License

CC-BY-NC-SA