luftforurening (meteorologi, spredning og transport)

Nogle former for luftforurening kan transporteres med vinden over meget store afstande; i nogle tilfælde flere tusinde kilometer. Hvor langt forureningen transporteres, afhænger af vindhastigheden, men også af hvilken forurening, der er tale om, da forskellige forureninger har forskellige egenskaber.

For partikler spiller partikelstørrelsen en afgørende rolle for transportafstanden, mens transport af forurening på gasform afhænger af gassernes kemiske egenskaber, og deres opløselighed i vand.

Små (fx ultrafine) partikler kan vokse bl.a. ved at optage vanddamp eller ved at sætte sig på overfladen af andre typisk større (fx fine eller grove) partikler. Hvorvidt de kan vokse ved at optage vanddamp, eller om de er i stand til at sætte sig på våde overflader, afhænger af, om de er hygroskope, det vil sige modtagelige for optag af vand. Store (fx grove) partikler hurtigt kan afsættes på jordoverfladen pga. deres tyngde.

Gassernes kemiske egenskaber er afgørende for, om og i givet fald hvor hurtigt gasserne omdannes ved kemiske reaktioner i atmosfæren eller afsættes på jordoverfladen (eller på andre overflader, som fx overfladen af andre partikler i luften). Ved nedbør fjernes stort set alle luftbårne partikler fra atmosfæren (se afsætning), og bl.a. derfor opleves luften også mere ren umiddelbart efter regn.

Gasser følger luftens bevægelser. Det samme gælder for de mindste, det vil sige de ultrafine, partikler, mens de større, grove (mellem 2,5 og 10 µm i diameter) og især meget grove partikler (større end 10 µm i diameter, se i øvrigt beskrivelsen af partikelstørrelser i partikler: størrelse, form og sammensætning) pga. deres tyngde har en større træghed i bevægelserne og samtidighed påvirkes af tyngdekraften, hvilket bringer dem hurtigere ned på overfladen (se afsætning).

Samtidig med at den transporteres, fortyndes luftforureningen ved opblanding med omgivende luft. Hvor hurtigt forureningen fortyndes, afhænger af luftens turbulens; det vil sige kaotiske (tilfældige) bevægelser i atmosfæren. Helt generelt kan man sige, at jo mere turbulens, der er i atmosfæren, jo hurtigere fortyndes forureningen. Derfor er dannelsen af turbulens en vigtig faktor for transport og spredning af forurening.

I atmosfæren finder man to typer turbulens: mekanisk og termisk turbulens. Mekanisk turbulens skabes ved vindens opbremsning mod overflader. Dannelsen af denne type turbulens afhænger derfor ikke kun af vindhastigheden, men også af overfladens egenskaber. Generelt gælder det, at jo mere ru overfladen er, desto mere mekanisk turbulens vil der dannes ved vindens kontakt med overfladen.

I modsætning til den mekaniske turbulens, som skyldes vindens opbremsning, så er den termiske turbulens et resultat af de temperaturforskelle, som opstår ved Solens opvarmning af jordoverfladen. Når jordoverfladen opvarmes, så opvarmes luften umiddelbart over overfladen også. Da varm luft er lettere end kold luft, vil den opvarmede luft derfor stige op. Samtidig erstattes den af køligere luft, som strømmer hen, hvor den varme luft befandt sig. Ved disse bevægelser af luftmasser skabes termisk turbulens i atmosfæren. Forskellige typer af overflader opvarmes på forskellige vis bl.a. på grund af forskelle i farve og fugtighed.

Mekanisk turbulens er karakteriseret ved små hvirvler, som bevæger sig hurtigt. Det vil sige små, hurtige hvirvler. Vi kender bl.a. den mekaniske turbulens fra efterårsbladenes hvirvlen rundt i små cirkler, når de er visnet og er faldet af træer og buske. Bladene lader sig føre med de små hvirvler fra den mekaniske turbulens tæt ved jordoverfladen. Den termiske turbulens er til gengæld karakteriseret ved meget store og langsomme hvirvler. Hvor den mekaniske turbulens især bevæger sig horisontalt, så bevæger de termiske hvirvler sig hovedsagelig i vertikalen.

Vi kender termisk turbulens som store hvirvler, der bl.a. anvendes af svæveflyvere til at bringe sig opad i atmosfæren og dermed holde sig i luften gennem længere tid. Det vil sige store hvirvler, som bevæger sig langsomt. De store termiske hvirvler kan på en varm sommerdag strække sig et par kilometer op i atmosfæren og transportere varm luft op og kold luft ned. Svæveflyverne finder de områder, hvor varm luft stiger op og anvender den opstigende luftstrøm til at komme højere op i atmosfæren.

Opblandingen af luft i den nederste del af atmosfæren, og dermed også fortyndingen af luftforurening, afhænger af hvor kraftig turbulens, der er tale om. En måde at beskrive hvor meget turbulens, der er i atmosfæren, er ved at introducere begrebet stabilitet. For at illustrere betydningen af stabiliteten kan man lidt forsimplet opdele atmosfærens stabilitet i tre grove klasser: stabil, neutral og ustabil. Disse tre situationer i den nederste del af atmosfæren er beskrevet i det følgende.

I en neutral, tør atmosfære falder temperaturen med cirka en grad Celsius per 100 meter i den nederste del af atmosfæren (den del af atmosfæren man kalder troposfæren). Bemærk igen, at varm luft er lettere end kold luft, og at varm luft derfor stiger til vejrs i en kold atmosfære. Betragter man en lille luftpakke, som udsendes med en bevægelse opad i atmosfæren, så vil luftpakken under opstigningen afkøles, fordi den under opstigningen opblandes med omgivende luft. I den neutrale atmosfære vil afkølingen betyde, at luftpakken hele tiden møder omgivende luft med nogenlunde samme temperatur. Luftpakken vil derfor også fortsætte bevægelsen med omtrent samme hastighed opad i atmosfæren.

Når et vejr-system bevæger sig hen over et område, så kan en varm luftmasse lægge sig hen over en koldere luftmasse. Der kan også ske det modsatte, hvor en kold luftmasse lægger sig hen over en varmere luftmasse. Hvis vi igen betragter en luftpakke, som bevæger sig opad i atmosfæren, så vil temperaturprofilen (ændringen i temperatur med højden) i atmosfæren i begge tilfælde påvirke bevægelsen af luftpakken. I tilfældet med varm luft over kold luft vil temperaturen aftage mindre end en grad per 100 meter, og temperaturen kan i nogen tilfælde tilmed stige med højden i den nederste del af atmosfæren. Luftpakken, som bevæger sig opad i atmosfæren, vil derfor møde luft, der er varmere end den selv, og det vil bremse luftpakkens bevægelse. Man taler her om en stabil atmosfære.

I tilfældet, hvor en kold luftmasse lægger sig over en varmere luftmasse, vil temperaturen falde med mere end en grad Celsius per 100 meter. Den opadstigende luftpakke vil hele tiden møde luft, som er koldere end den selv, og da varm luft er lettere end kold luft, så vil luftpakkens bevægelse øges. Man taler her om en ustabil atmosfære, som giver hurtigere opblanding af luften.

I tillæg til spredning af forurening som følge af mekanisk og termisk turbulens, sker der under transporten af fx en røgfane gennem atmosfæren også en spredning og dermed fortynding af luftforureningen, som er drevet af fluktuationer (hurtige variationer) i den horisontale vind.

Under transporten gennem atmosfæren vil en røgfane i gennemsnit udbrede sig med omkring en tiendedel af transportafstanden. Det betyder, at en røgfane, som udledes i 100 meters højde, når mere end 1 km væk fra udledningsstedet, før den når ned til jordoverfladen og kan påvirke den lokale befolkning. Det er årsagen til, at det meste af den forurening, som udledes fra kraftværker og industri i byområder, er transporteret ud ad byen, inden den når så langt ned, at den kan påvirke befolkningen.

Den nederste del af atmosfæren kaldes troposfæren. Denne del af atmosfæren er direkte påvirket af jordoverfladen og dens egenskaber. Det er i troposfæren, at man finder langt den største del af luftforureningen.

Troposfæren kan opdeles i to lag: grænselaget helt ned mod jordoverfladen og laget derover, som kaldes den fri troposfære. Toppen af grænselaget er den højde, hvortil fx luftforurening og vanddamp udsendt fra overfladen opblandes. Inden for grænselaget sørger mekanisk og termisk turbulens (se beskrivelsen af de to typer turbulens ovenfor) for en relativt hurtig opblanding. Over grænselaget i den fri troposfære er de vertikale luftbevægelser små og opblandingen langsom.

Højden af grænselaget varierer betydeligt over døgnet, men også med årstiderne. Generelt er den højest om dagen i sommerhalvåret og lavest om natten i vinterhalvåret. På en varm sommerdag kan grænselaget ligge en højde på 2-3 km, faldende til 200-300 meter om natten. På en vinterdag kan grænselaget ligge i nogle få hundrede meters højde om dagen, faldende til 50-100 meters højde om natten og i nogle tilfælde endnu mindre. Grænselagshøjden er således en meget vigtig parameter for opblanding af luftforurening.

En kilde med udledning af luftforurening i lav højde kan fx være trafik eller en brændeovnsskorsten på et parcelhus. Luftforurening, der udsendes fra kilder i lav højde, vil fortyndes hurtigt i den ustabile atmosfære. Det betyder, at i situationen med den ustabile atmosfære, vil koncentrationerne af forurening i en trafikeret gade normalt være lave. Til gengæld vil en stabil atmosfære føre til langsom fortynding af udledningerne fra trafikken, og det vil resultere i højere forureningsniveauer i den trafikerede gade. Tilsvarende gælder for fortyndingen af røgen fra en skorsten på for eksempel et parcelhus.

I et boligområde med mange brændeovne, vil der være stort forbrug af træ på en kold vinterdag. En kold vinterdag vil typisk også være en dag med lav vindhastighed og stabil atmosfære. Dermed vil den kolde vinterdag være en dag med langsom fortynding af røgen fra skorstenene. Det er årsagen til, at kolde vinterdage med lave vindhastigheder også er de dage, hvor man ofte vil kunne fornemme lugten af brænderøg i et kvarter med mange brændeovne.

En kilde med udledning i stor højde kan fx være skorstenen på et kraftværk eller en industrivirksomhed. For forurening, som udsendes fra en kilde i store højde, er situationen væsentligt anderledes end for forurening udsendt fra kilder med udledning i lav højde. I den stabile atmosfære fortyndes forureningen langsomt, og derfor transporteres forureningen langt væk fra kilden, før den er transporteret ned til overfladen. I den ustabile atmosfære kan røgfanen udledt fra den høje skorsten imidlertid blive presset hurtigt ned til overfladen, og derfor kan situationen med en ustabil atmosfære føre til de højeste koncentrationer i nærheden af jordoverfladen i området tæt ved den højde kilde.

Situationen med henholdsvis stabil og ustabil atmosfære er illustreret med de to fotos, som stammer fra et eksperiment, som blev udført på Borris Hede. De viser spredningen af en røgfane af ammoniumklorid (NH₄Cl), som blev fremstillet til formålet .

I situationer med kraftig storm over Sahara kan ørkensand hvirvles højt op i atmosfæren. Almindeligvis vil sandkorn hurtigt afsættes på overfladen igen. Det skyldes, at sandkornene er relativt store (de udgør den del af de luftbårne partikler, som kaldes grove partikler) og derfor afsættes på jordoverfladen pga. tyngdekraften. Fordi sandkornene under kraftige storme transporteres så højt op i atmosfæren, så kan de imidlertid føres flere tusinde kilometer gennem atmosfæren, før de afsættes på jordoverfladen. Afsætningen af disse sandkort kan så findes sted ved gravitation, eller de kan udvaskes med nedbør.

Når sandet udvaskes med nedbøren, kalder man det populært for blodregn. Navnet blodregn skyldes, at sand fra Sahara indeholder jernoxid, som giver det en markant rødlig farve. Blodregn forekommer fra tid til anden helt oppe i Nordeuropa. En episode med blodregn forekom bl.a. i Danmark den 17. marts 2022.

Episoder i sommerhalvåret med forhøjet luftforurening over Danmark skyldes ofte transport af forurening fra den sydlige del af det europæiske kontinent. Når det sker, ligger der ofte et højtryk med varme temperaturer over det centrale Europa, og det presser luft op mod nord. Det er i situationer som disse, at vinden bringer forhøjede koncentrationer af skadelig ozon ind over Danmark. Generelt forhøjede koncentrationer af fine partikler over Danmark vil ofte også være et resultat af transport fra syd; det vil sige bidrag til forurening fra kilder placeret over især den nordlige del af det europæiske kontinent.

I vinterhalvåret vil episoder med forhøjede koncentrationer af kvælstofdioxid og fine partikler dog oftest være resultatet af langsom opblanding af forurening udledt fra lokale kilder. Den langsomme opblanding er resultatet af lave vindhastigheder og meget lave grænselagshøjder.

Et tredje eksempel på langtransport af forurening er episoder med forhøjede antal pollen og i nogle tilfælde også svampesporer i luften. Pollen er planters hanlige kønsceller, og en række pollentyper, bl.a. birkepollen, kan give allergiske reaktioner i op mod 20 % af befolkningen. Den danske befolkning udsættes hovedsagelig for pollen og svampesporer udsendt fra kilder i Danmark.

I nogle tilfælde kan befolkningen i Danmark også reagere på langtransporterede pollen og svampesporer. I fx Polen har man en række skovområder med mange birketræer. Da Polen ligger syd for Danmark, blomstrer de polske birketræer tidligere end de danske. Nogle år kan man i det tidlige forår, inden birkesæsonen starter i Danmark, opleve forhøjede niveauer af birkepollen, som skyldes transport af pollen fra syd. Det er årsagen til, at birkeallergikere i nogle år kan reagere på birkepollen, før birkepollensæsonen er begyndt i Danmark.

• luftforurening
• koncentration og udledning
• kilder til partikler
• by & land, lokal & langtransport
• kemiske reaktioner
• afsætning (deposition)
• introduktion til gasser som luftforurening
• introduktion til partikler
• transportvej (trajektorie)