Kemiallisesti musta hiili on hienojen hiukkasten (PM ≤ 2,5 µm aerodynaamisesti halkaisijaltaan) komponentti. Musta hiili koostuu puhtaasta hiilestä useissa sidottuissa muodoissa. Se muodostuu fossiilisten polttoaineiden , biopolttoaineiden ja biomassan epätäydellisestä palamisesta ja on yksi tärkeimmistä hiukkastyypeistä sekä ihmisen [1] että luonnonnoessa [ 2] . Musta hiili aiheuttaa ihmisten sairastuvuutta ja ennenaikaista kuolleisuutta. Näiden ihmisten terveyteen liittyvien vaikutusten vuoksi monet maat pyrkivät vähentämään päästöjään [3] .
Klimatologiassa musta hiili edistää ilmaston lämpenemistä . Musta hiili lämmittää maapalloa absorboimalla auringonvaloa ja lämmittämällä ilmakehää sekä vähentämällä albedoa laskeutuessaan lumelle ja jäälle (suorat vaikutukset) ja epäsuorasti vuorovaikutuksessa pilvien kanssa kokonaisvaikutuksen ollessa 1,1 W/m 2 [4] . Musta hiili pysyy ilmakehässä vain muutamasta päivästä muutamaan viikkoon, kun taas muilla voimakkailla kasvihuonekaasuilla on pidempi elinkaari, kuten hiilidioksidilla (CO 2 ), jonka elinikä ilmakehässä on yli 100 vuotta [5] . IPCC ja muut ilmastotutkijat väittävät, että mustan hiilen vähentäminen on yksi helpoimmista tavoista hidastaa lyhytaikaista ilmaston lämpenemistä [6] [7] .
Termiä "musta hiili" käytetään myös maaperätieteessä ja geologiassa , mikä tarkoittaa joko kerrostunutta ilmakehän mustahiiltä tai suoraan kasvipaloista peräisin olevaa mustahiiltä [8] [9] . Erityisesti tropiikissa maaperän musta hiili edistää merkittävästi hedelmällisyyttä, koska se pystyy imemään tärkeitä kasvien ravinteita [10] .
Faraday ymmärsi, että noki koostuu hiilestä ja että se muodostuu hiilipitoisten polttoaineiden epätäydellisestä palamisesta [11] . Termin "musta hiili" loi Tikhomir Novakov, jota James Hansen kutsui "mustan hiilen tutkimuksen kummisetä" 1970-luvulla [12] . Savu tai noki oli ensimmäinen saaste, jolla on havaittu olevan merkittävä ympäristövaikutus, mutta yksi viimeisistä, joita nykyaikainen ilmakehän tutkimusyhteisö on tutkinut.
Noki koostuu monimutkaisesta seoksesta orgaanisia yhdisteitä, jotka imeytyvät heikosti näkyvällä alueella, ja erittäin absorboivasta mustasta komponentista, jota kutsutaan eri nimillä "alkuaine", "grafiitti" tai "musta hiili". Termiä "alkuainehiili" on käytetty yhdessä lämpö- ja märkäkemiallisten määritelmien kanssa, ja termi grafiittihiili viittaa grafiittimaisten mikrokiteisten rakenteiden esiintymiseen noessa, kuten Raman-spektroskopia vahvistaa [13] . Termiä "musta hiili" käytetään osoittamaan, että tämä nokikomponentti on ensisijaisesti vastuussa näkyvän valon absorptiosta [14] [15] . Termiä "musta hiili" käytetään joskus synonyyminä sekä noen alkuaine- että grafiittikomponenteille [16] . Se voidaan mitata erityyppisillä laitteilla valonsäteen absorptioon tai sirontaan perustuen tai se voidaan johtaa melumittauksista [17] .
Hiilen saastumisen katastrofaaliset vaikutukset terveyteen ja kuolleisuuteen 1950-luvun alussa Lontoossa johtivat Yhdistyneen kuningaskunnan Clean Air Act -lain hyväksymiseen 1956. Teon seurauksena nokipitoisuudet laskivat jyrkästi Isossa-Britanniassa, minkä jälkeen vastaavat leikkaukset Yhdysvaltojen kaupungeissa, kuten Pittsburghissa ja St. Louisissa. Nämä vähennykset saavutettiin suurelta osin vähentämällä pehmeän hiilen käyttöä kotitalouksien lämmitykseen siirtymällä joko "savuttomiin" hiileihin tai muihin polttoaineisiin, kuten polttoöljyyn ja maakaasuun. Savun tasainen väheneminen teollisuuskaupungeissa Euroopassa ja Yhdysvalloissa on johtanut tutkimuksen painopisteen siirtymiseen pois nokipäästöistä ja lähes täydelliseen piittaamattomuuteen mustasta hiilestä tärkeänä aerosolikomponenttina, ainakin Yhdysvalloissa.
Kuitenkin 1970-luvulla useat tutkimukset muuttivat tätä kuvaa merkittävästi ja osoittivat, että musta hiili sekä noen orgaaniset komponentit ovat edelleen suuri osa kaupunkiaerosoleja Yhdysvalloissa ja Euroopassa [18] [19] , mikä johti hallita paremmin näitä päästöjä. Maailman vähemmän kehittyneillä alueilla, joilla nokipäästöjen hallinta oli rajallista tai olematonta, ilmanlaatu heikkeni edelleen väestön kasvaessa. Vasta monta vuotta myöhemmin kävi selväksi, että näiden alueiden päästöt ovat maailmanlaajuisten vaikutusten kannalta erittäin tärkeitä.
Suurin osa edellä mainituista muutoksista liittyy kaupunkiilman ilmanlaatuun. Ensimmäiset viitteet mustan hiilen roolista laajemmassa globaalissa kontekstissa tulivat arktisten sumuilmiöiden tutkimuksesta. Mustaa hiiltä on tunnistettu arktisista sumuaerosoleista [20] ja arktisesta lumesta [21] .
Yleisessä tapauksessa aerosolihiukkaset voivat vaikuttaa säteilytasapainoon, mikä johtaa jäähdytys- tai lämmitysvaikutukseen, ja lämpötilan muutoksen suuruus ja merkki riippuvat suurelta osin aerosolin optisista ominaisuuksista, aerosolipitoisuudesta ja taustalla olevan aineen albedosta. pinta. Puhtaasti sirottava aerosoli heijastaa maa-ilmakehän järjestelmän normaalisti absorboimaa energiaa takaisin avaruuteen ja saa aikaan jäähdytysvaikutuksen. Koska aerosoliin lisätään absorboivaa komponenttia, tämä voi johtaa maa-ilmakehän järjestelmän lämpenemiseen, jos alla olevan pinnan heijastavuus on riittävän korkea.
Varhaiset tutkimukset aerosolien vaikutuksesta ilmakehän säteilyn kulkeutumiseen globaalissa mittakaavassa olettivat siroavan aerosolin hallitsevan pienen absorboivan komponentin, koska tämä näyttää heijastavan hyvin luonnollisia aerosoleja. Kuitenkin, kuten edellä on todettu, kaupunkiaerosoleissa on suuri mustahiilikomponentti, ja jos nämä hiukkaset voidaan kuljettaa maailmanlaajuisesti, voidaan odottaa lämpövaikutusta korkean pinnan albedopinnoilla, kuten lumella tai jäällä. Lisäksi, jos nämä hiukkaset kerrostuvat lumeen, pinnan albedon väheneminen aiheuttaa lisälämmitysvaikutusta.
Mustan hiilen tasot määritetään useimmiten kuitusuodattimen optisten ominaisuuksien muuttumisen perusteella kerrostuneiden hiukkasten vaikutuksesta. Joko suodattimen läpäisykyky tai suodattimen heijastuskyky tai transmission ja reflektanssin yhdistelmä mitataan. Etalometrit ovat yleisesti käytettyjä laitteita, jotka havaitsevat optisesti muutokset suodattimen läpi kulkevan valon absorptiossa. USEPA Environmental Technology Verification Program arvioi sekä Aetalometerin [22] että Sunset Laboratoryn termooptisen analysaattorin [23] . Monikulmainen absorptiofotometri ottaa huomioon sekä läpäisevän että heijastuneen valon. Vaihtoehtoiset menetelmät perustuvat satelliittien optisiin syvyysmittauksiin suurilla alueilla tai viime aikoina erittäin paikallisten pitoisuuksien kohinan spektrianalyysiin [24] .
1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa havaittiin yllättävän korkeita mustahiilen pitoisuuksia maanpinnan tasolla koko läntisellä arktisella alueella. Mallitutkimukset ovat osoittaneet, että ne voivat johtaa napajään lämpenemiseen. Yksi suurimmista epävarmuustekijöistä mallinnettaessa arktisen sameuden vaikutusta auringon säteilytaseeseen oli rajallinen tieto mustan hiilen pystyjakaumista.
Vuosina 1983 ja 1984 NOAA AGASP -ohjelma sai ensimmäiset mittaukset tällaisista jakaumista arktisessa ilmakehässä käyttämällä aetalometriä, jolla oli kyky mitata mustahiiltä reaaliajassa [25] . Nämä mittaukset osoittivat merkittäviä mustahiilen pitoisuuksia kaikkialla läntisellä arktisella troposfäärillä, mukaan lukien pohjoisnavalla. Pystysuorat profiilit osoittivat joko erittäin kerrostunutta rakennetta tai lähes tasaista jakautumista kahdeksaan kilometriin asti, ja kerroksen sisäiset pitoisuudet olivat yhtä suuria kuin maanpinnan tasolla tyypillisillä keskileveysasteilla Yhdysvalloissa [26] . Näihin pystysuoraan profiiliin liittyvät optiset absorptiosyvyydet olivat suuret, mistä osoituksena Norjan arktisen alueen yläpuolella oleva pystyprofiili, jossa laskettiin optisen absorptiosyvyyden 0,023-0,052 ulkoisille ja sisäisille mustan hiilen seoksille muiden aerosolikomponenttien kanssa.
Näiden arvojen optiset syvyydet aiheuttavat merkittävän muutoksen auringon säteilyn tasapainossa erittäin heijastavan arktisen lumen pinnalla maalis-huhtikuussa, jolloin nämä mittaukset simuloivat arktista aerosolia optiseen absorptiosyvyyteen 0,021 (joka on lähellä). AGASP-lentojen sisäisten ja ulkoisten seosten keskiarvoon) pilvettömissä olosuhteissa [27] [28] . Näitä lämpövaikutuksia pidettiin tuolloin potentiaalisena yhtenä pääasiallisista syistä arktiseen lämpenemiseen, joka on kuvattu Energy Department Archives, Basic Energy Sciences -julkaisussa.
Jopa 60 % kaikesta maaperään varastoidusta orgaanisesta hiilestä on mustahiiltä [29] . Varsinkin trooppisessa maaperässä musta hiili toimii ravinteiden säiliönä. Kokeet ovat osoittaneet, että maaperä, jossa ei ole paljon mustahiiltä, on huomattavasti vähemmän hedelmällistä kuin mustahiiltä sisältävät maaperät. Esimerkki tällaisesta lisääntyneestä maaperän hedelmällisyydestä löytyy Keski-Amazonian Terra preta -mailta , jotka näyttävät olevan ihmisen esikolumbiaanisten alkuperäiskansojen luomia. Terra Preta -mailla on keskimäärin kolminkertainen maaperän orgaanisen aineksen (COM) pitoisuus, korkeammat ravinnepitoisuudet ja parempi ravinteidenpidätyskyky kuin ympäröivillä karuilla mailla [30] . Tässä yhteydessä trooppisilla alueilla käytetyt slash and polta -viljelykäytännöt eivät ainoastaan lisää tuottavuutta vapauttamalla ravinteita palaneesta kasvillisuudesta, vaan myös lisäävät mustaa hiiltä maaperään. Kestävän hoidon kannalta olisi kuitenkin parempi käyttää lakko- ja hiiltymiskäytäntöjä korkeiden hiilidioksidipäästöjen ja haihtuvan mustahiilen estämiseksi. Myös tämän tyyppisen viljelyn positiiviset vaikutukset neutraloituvat, jos niitä käytetään suurille lohkoille, jolloin kasvillisuus ei estä maaperän eroosiota.
Metsäpaloista maisemaan jäänyt liukeneva ja kolloidinen musta hiili voi päästä pohjaveteen. Maailmanlaajuisesti mustan hiilen virtaus makeisiin ja suolaisiin vesistöihin lähestyy metsäpalojen mustan hiilen tuotantonopeutta [31] .
Kehittyneet maat olivat aikoinaan pääasiallinen mustan hiilen päästöjen lähde, mutta tilanne alkoi muuttua 1950-luvulla, kun saastumisenhallintateknologiat otettiin käyttöön näissä maissa. Vaikka Yhdysvallat tuottaa noin 21 % maailman hiilidioksidipäästöistä , se päästää 6,1 % maailman noesta [32] . Euroopan unioni ja Yhdysvallat voisivat edelleen vähentää mustahiilipäästöjään nopeuttamalla tällä hetkellä voimassa olevien mustahiilen määräysten täytäntöönpanoa vuosina 2015 tai 2020 [33] ja tukemalla Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) vireillä olevien määräysten hyväksymistä [34] . Nykyisiä säännöksiä voitaisiin myös laajentaa lisäämään puhtaan diesel- ja hiiliteknologian käyttöä ja toisen sukupolven teknologioiden kehittämistä.
Nykyään suurin osa mustahiilen päästöistä tulee kehitysmaista [3] , ja tämän suuntauksen odotetaan kasvavan [32] . Suurimmat mustan hiilen lähteet ovat Aasia, Latinalainen Amerikka ja Afrikka. Kiinan ja Intian osuus maailman mustahiilen päästöistä on yhteensä 25–35 prosenttia. Kiinan mustan hiilen päästöt kaksinkertaistuivat vuodesta 2000 vuoteen 2006. Kehittyneiden maiden käyttämiä olemassa olevia ja hyväksi havaittuja teknologioita, kuten puhdasta dieseliä ja puhdasta hiiltä, voidaan siirtää kehitysmaihin niiden päästöjen vähentämiseksi [32] .
Mustan hiilen päästöt ovat suurimmat tärkeimmillä lähdealueilla ja niiden ympäristössä. Tämä johtaa alueellisiin ilmakehän aurinkolämpöpisteisiin mustan hiilen vuoksi. Hot spotit sisältävät:
Noin kolme miljardia ihmistä asuu näissä kuumissa paikoissa.
Noin 20 % mustasta hiilestä vapautuu biopolttoaineita polttamalla, 40 % fossiilisia polttoaineita polttamalla ja 40 % biomassan avopoltolla. Samanlaiset arviot mustan hiilen päästöjen lähteistä ovat seuraavat [35] :
Mustan hiilen lähteet vaihtelevat alueittain. Esimerkiksi Etelä-Aasiassa suurin osa nokipäästöistä johtuu biopolttoaineiden valmistuksesta [37] , kun taas Itä-Aasiassa kivihiilen poltolla kotitalous- ja teollisuustarkoituksiin on suuri merkitys. Länsi-Euroopassa tieliikenne näyttää olevan tärkein lähde, koska suuret pitoisuudet osuvat pääteiden läheisyyteen tai osallistumiseen (moottoroituun) liikenteeseen [38] .
Fossiiliset polttoaineet ja biopolttoaineen noki sisältävät huomattavasti enemmän mustahiiltä kuin ilmastoa jäähdyttävät aerosolit ja hiukkaset, mikä tekee näiden lähteiden vähentämisestä erityisen tehokkaita lieventämisstrategioita. Esimerkiksi dieselmoottoreiden ja laivojen päästöt sisältävät enemmän mustahiiltä kuin muut lähteet. Näin ollen dieselmoottoreiden ja laivojen nokipäästöjen säätely tarjoaa merkittävän mahdollisuuden vähentää noen vaikutusta ilmaston lämpenemiseen [39] .
Biomassan polttaminen vapauttaa enemmän ilmastoa jäähdyttäviä aerosoleja ja hiukkasia kuin mustaa hiiltä, mikä johtaa lyhytaikaiseen jäähtymiseen [40] . Pitkällä aikavälillä biomassan polttaminen voi kuitenkin johtaa nettolämpenemiseen, kun otetaan huomioon CO 2 -päästöt ja metsien häviäminen [41] . Näin ollen biomassapäästöjen vähentäminen vähentää ilmaston lämpenemistä pitkällä aikavälillä ja tarjoaa sivuhyötyjä ilmansaasteiden, hiilidioksidipäästöjen ja metsäkadon vähenemisestä . On arvioitu, että 12 % maankäytön muutoksen aiheuttamista ihmisen toiminnasta aiheutuvista hiilidioksidipäästöistä voisi 12 % siirtyä slash-and-burn -maatalouteen, jossa biomassa muutetaan tuhkaksi käyttämällä avotulta, josta vapautuu mustahiiltä [42] ja kasvihuonekaasuja [43] . vähennetään vuosittain, mikä on noin 2 prosenttia kaikista vuosittaisista maailmanlaajuisista hiilidioksidiekvivalenttipäästöistä [44] .
![]() |
---|