תַקצִיר
האוויר שאנו נושמים מורכב מתרכובות כימיות רבות ושונות. חלק מתרכובות אלה הן חומרים מזהמים שמזיקים לבריאות האדם. חומרים מזהמים באוויר מגיעים ממגוון מקורות שונים, כולל תחנות כוח, מפעלים, חקלאות ותחבורה. כדי שיוכלו לנוע ממקום אחד לאחר, כלי תחבורה מוּנָעִים על-ידי בעירה של חומרי דלק מחצביים כגון בנזין או דיזל. התוצאה של בעירת חומרי דלק אלה היא שחרור של גזים ושל חלקיקים קטנים מאוד. החומרים אשר משתחררים ידועים כ”פליטות מזהמות“. סוגים של כלי תחבורה שונים פולטים לאוויר כמויות שונות של חומרים מזהמים, אשר משפיעים על איכות האוויר המקומית והאזורית. כדי להוביל מִטְענים ברחבי המדינה נעשה שימוש גם במשאיות וגם ברכבות. הֲבָנַת ההשפעה של המשאיות או של רכבות הַמִּטְען על איכות האוויר תעזור ללמוד על דרכים להפחתת הזיהום שמזיק לבריאות האדם.
מהי איכות האוויר ומדוע היא חשובה?
זיהום אוויר פירושו נוכחות של חלקיקים (חתיכות קטנות מאוד של חומר מוצק) ושל גזים באוויר, המזיקים לאדם ולסביבה. זיהום אוויר עלול לגרום לבעיות בריאוּת כגון אסתמה, מחלות ריאוֹת ולפעמים אף למוות [1]. ילדים צעירים וקשישים רגישים יותר להשפעות של זיהום האוויר על הבריאוּת. מדענים חוקרים את איכות האוויר, כלומר את כמות המזהמים שבאוויר, ואת הקשר בין מקורות זיהום האוויר ובין השפעת הזיהום על בריאוּת האדם.
זיהום האטמוספרה שנובע מפעילוּת של בני אדם יכול להיגרם מגזים ומחלקיקים המשתחררים ממקורות בעירה. בעירה היא התהליך שבו חומר המכיל אנרגיה נשרף והאנרגיה שבו משתחררת. חומרים שהשימוש בהם נפוץ בתהליכי בעירה כוללים חומרי דלק מחצביים כגון בנזין, דיזל, פחם וגז טבעי. האנרגיה המתקבלת משׂרֵפת חומרי דלק מחצביים מספקת חשמל לבתים שלנו, וגם מניעה את כלי הרכב שלנו. כאשר דלק נשרף משתחררים חומרים כימיים שונים כתוצרי לוואי. תוצרי לוואי אלה נקראים ”פליטוֹת“. פליטות המשתחררות ממקורות בעירה גורמות ל”זיהום אוויר סביבתי“ – הריכוזים של גזים ושל חלקיקים באוויר שאנו נושמים.
היות שהאטמוספרה של כדור הארץ עשויה בעיקר מחנקן ומחמצן, רוב הפליטות הן בצוּרת תרכובות של חנקן וחמצן, אשר נקראות תחמוצות החנקן (NOx). מאחר שרוב מקורות האנרגיה שאנו שורפים עשויים מפחמן, תוצרי לוואי אחרים נפלטים כתרכובות פחמן, כולל היסוד פחמן, הידוע גם כפִּיח. פליטות כגון NOx יכולות להגיב עם גזים אחרים שכבר מצויים באטמוספרה כגון חומרים גזיים המבוססים על פחמן אשר נקראים תרכובות אורגניות נדיפוֹת (VOCs). תרכובות אלה נפלטות באופן טבעי מעֵצִים וגם מחומרים מעשה ידי אדם כגון צבע ולַכָּה. השילוב של NOx עם VOCs יוצר על פני השטח אוּזוֹן (O3), אשר נקרא גם ”אוזון טרופוספרי“, כי טרופוספרה היא שכבת האטמוספרה שעל פני השטח של כדור הארץ. נשימת O3 על פני השטח של כדור הארץ עלולה להזיק לריאוֹת ולגרום לבעיות בריאוּת.1 בעוד גזים כגון NOx ו־VOCs נסתרים מעינינו, פיח מצוי בעשן השחור שאנו רואים, אשר מגיע ממשאיות גדולות ומאוטובוסים, וגם ממדורות הקומזיץ. פיח הוא חומר חלקיקי. חומרים חלקיקיים קטנים מאוד מזיקים לבריאוּת האדם כי אם נושמים אותם עמוק לריאוֹת הם עלולים להגיע לזרם הדם. הקוטר של חומר חלקיקי דק מזיק קטן מ־2.5 מיקרומטר, ולכן חומרים אלה נקראים PM .“PM2.5” מתייחס לחומר חלקיקי (Particulate Matter). פיח הוא דוגמה לחומר חלקיקי דק המגיע ישירות מהבעירה, אבל חומר חלקיקי דק עשוי להיווצר גם מתגובות בין גזים באטמוספרה. בעוד שחומרים חלקיקיים משתחררים ישירות מבעירה וגם נוצרים באטמוספרה, O3 נוצר רק מתגובות כימיות באטמוספרה.
בארצות הברית, הארגון האמריקני להגנת הסביבה מווסת את איכות האוויר באמצעות חוק שנקרא ”חוק האוויר הנקי“. חלק מהחוק כולל שימוש בבדיקות מדעיות לקביעת הריכוזים של מזהמי האוויר הבטוחים לבריאוּת האדם. תקנים אלה נקראים ”תקני חשיפה לזיהום אוויר“. קיימים תקנים שונים עבור ששת המזהמים שנחשבים מזיקים ביותר: NO2 ,O3, חומר חלקיקי דק, גופרית דו־חמצנית, פחמן חד־חמצני ועופרת. מאז החל חוק האוויר הנקי לווסת את איכות האוויר בשנת 1970, ירדו הריכוזים של ששת המזהמים האלה, אך למרות זאת, ריכוזי O3 והחומר החלקיקי הדק עדיין נותרו ברמה שאיננה בריאה והיא בעייתית בערים אחדות, במיוחד בדרום קליפורניה ובמזרח ארצות הברית, שם רמות זיהום האוויר גבוהות מהרמות שנחשבות בטוחות, ונדרש לפתח תוכניות להפחתת זיהום האוויר שלהן.
כדי לעזור לקבוע אלה פעילויות יעזרו בהפחתת זיהום האוויר באזור מסוים מדענים יכולים לבצע ניסויים לקביעת איכות האוויר בעזרת מַחְשְׁבִים רבי עוצמה ובעזרת מודלים ממוחשבים. מודלים אלה מְדַמִּים את הזיהום שנפלט על-ידי מכוניות, משאיות, רכבות ומקורות אחרים, וגם מדמים את התהליך הכימי שחל באטמוספרה, הגורם למזהמים כגון O3 להיווצר. מודלים אלה כוללים משוואות מורכבות הקשורות לאטמוספרה, כמו גם הרחקת הזיהום על-ידי הרוח, ייצורו ופירוקו בתגובות כימיות וסילוקו מהאטמוספרה באמצעות משקעים. המודלים הממוחשבים האלה דורשים קֶלֶט של נתונים רבים, כולל נתוני מזג האוויר (הידועים גם כ”מֶטֶאוֹרוֹלוֹגְיָה“) ומידע על פליטוֹת מכל המקורות האנושיים והטבעיים.
איך התחבורה משפיעה על זיהום האוויר?
אחד המקורות העיקריים לפליטות הגורמות לזיהום הוא כלי התחבורה [2]. כלי תחבורה כוללים מכוניות, משאיות, אופנועים, רכבות, מטוסים וספינות. יש שני סוגים עיקריים של כלי תחבורה; האחד הוא להסעת בני אדם – ”תחבורת נוסעים“, והאחר הוא ”תחבורת מִטְעָנִים“, שהיא הובלת סחורות כגון מזון, ביגוד, חומרי בנייה, ציוד אלקטרוני ופריטים רבים נוספים. בארצות הברית, משאיות, רכבות, ספינות ובמידת מה גם מטוסים משמשים לתחבורת מטענים עבור מפעלי תעשייה וחנויות. משאיות ורכבות מוּנָעוֹת על-ידי מנועים הדורשים אנרגיה כדי לפעול, ומנועים אלה מייצרים פליטות משׂרֵפת הדלק. אפשר למדוד את הפליטות מכּלי התחבורה, או לחשֵּׁב אותן, על סמך מידע כגון מספר המשאיות והרכבות שפועלות על הכבישים או על מסילות הברזל, בשילוב עם מידע על האופן שבו המנועים שלהן פועלים וכמה זיהום הם פולטים לכל ק”מ שהם נוסעים, במהלך תקופות חמות או קרות של השנה. אפשר להשתמש במידע זה להערכת סך כֹּל הפליטות מתחבורת מטענים בכל שנה.
היות שתחבורת מטענים עלולה להשפיע באופן שלילי על איכות האוויר, האם יש דרך להפחית את הפליטות ולשפר את האוויר שאנו נושמים על-ידי שינוי האופן שבו אנו מובילים מִטְעָנִים? כדי להשיב על שאלה זו, תִּכננו ניסוי שינתח איך שינוי יכול להשפיע על איכות האוויר באזור המערב התיכון של ארצות הברית. השינוי שביצענו היה להוביל מטענים יותר באמצעות רכבות, ופחות באמצעות משאיות. לצורך ניסוי זה בדקנו תחילה את הַשְׁפָּעַת השינוי בהובלת סחורות ממשאיות לרכבות רק בין ערים בתוך אזור המערב התיכון של המדינה, למשל: הובלת מטענים ממיניאפוליס, מינסוטה אל דטרויט, מישיגן (תרחיש 1). אחר כך הוספנו גם הובלת מטענים דרך אזור המערב התיכון, למשל: הובלת מטענים מקליפורניה לניו יורק בנסיעה בכבישים ובמסילות הברזל של המערב התיכון (תרחיש 2). תוצאות שני התרחישים הושוו ל“תרחיש בסיס” המייצג את האופן שבו המטענים מוּבָלים כיום, דבר שמאפשר לנו להבין את השינויים שנצפו בתרחישי הניסויים שלנו.
חשוב לדעת שלא כל סוגי המטענים יכולים להיות מוּבָלים גם במשאיות וגם ברכבות. הובלה ברכבת היא איטית מטבעהּ, כי קרונות הרכבת משולבים לאורך מסלול ההובלה לקבלת רכבות ארוכות (לפעמים 200-100 קרונות) להובלה יעילה יותר בעלוּת נמוכה יותר. היות שכך, תוואי הנסיעה בדרך כלל אינו ישיר. משאיות יכולות לנסוע ישירות מנקודת המוצא ליעד ללא עצירוֹת, וכך להגיע לשם מהר יותר. לכן, תוצרת טרייה או מאכלי ים עלולים להתקלקל לפני שיגיעו ליעד, אם יובלו ברכבות. למרות זאת, סחורות כגון חלקי מכוניות, רהיטים או חול אינן מתקלקלות, ואפשר להובילן הן במשאיות הן ברכבות. נוסף על כך, כאשר עסק מתלבט אם להוביל את סחורתו במשאית או ברכבת, הבעלים יביאו בחשבון את עלוּת ההובלה בכל אחת מהן. בדרך כלל, הובלה ברכבת זולה יותר עבור מרחקים ארוכים, והובלה במשאיות זולה יותר עבור מרחקים קצרים. עבור שני תרחישי הניסויים שביצענו, התחשבנו רק בהובלת הסחורות ברכבת במקום במשאית אִם: (1) הדבר התאפשר עבור סוג הסחורות המוּבלוֹת ו־(2) הסחורות הובלו למרחק גדול מ־400 מַיילים (יותר מ־640 ק“מ). איורים 1A,B מציגים את הכבישים ואת מסילות הברזל, כאשר הוּסְפָה הובלת מטענים ברכבת (אדום) והופחתה הובלת מטענים במשאיות (כחול), עבור כל אחד מהתרחישים.
- איור 1 - שני הריבועים העליונים מראים מסלולי כבישים ראשיים (קווים כחולים) ומסילות ברזל (קווים אדומים) עבור .A תרחיש 1 ו־.B תרחיש 2.
- ארבעת הריבועים התחתונים מראים את שינויי הפליטות היומיות הממוצעות של המזהמים (D, C) NO2 וחומר חלקיקי דק (E, F) עבור תרחיש 1 (שני הריבועים השמאליים) ועבור תרחיש 2 (שני הריבועים הימניים) בחודש יולי (ביחידות של ק"ג ליום). בכל הריבועים, הפחתה בפליטות המוצגת בכחול נוטה להופיע לאורך כבישים ראשיים, בעוד שהעלאה בפליטות המוצגת בצהוב ובאדום נוטה להופיע לאורך מסילות הברזל. הכחול והאדום הכהים יותר מצביעים על שינויי הפליטה הגדולים ביותר. סך כֹּל השינויים בפליטות נוטים להיות קטנים יותר עבור תרחיש 1 וגדולים יותר עבור תרחיש 2. האיור הותאם ממאמרם של Bickford ועמיתיה [3]. Scenario Freight paths = תרחיש נתיבי המטענים Routes within Midwest = דרכים בין ערים במערב התיכון Routes through Midwest = דרכים שעוברות דרך המערב התיכון Highway = כביש ראשי Railway = מסילת ברזל Change in NO2 emissions = שינוי בפליטות של NO2 Absolute difference = הפרש בערך מוחלט Change in PM2.5 emissions = שינוי בפליטות של חומר חלקיקי דק
בתרחיש 1, 876 קרונות רכבת החליפו 2,534 משאיות מדי יום ביומו; בתרחיש 2, 37,854 קרונות רכבת החליפו 103,450 משאיות מדי יום ביומו. כל אחד מתרחישי הפליטה האלה (תרחיש הבסיס, תרחיש 1 ותרחיש 2). נחקר בעזרת מודלים ממוחשבים שאליהם הוזנו נתונים מטאורולוגיים, במטרה לקבוע את השְׁפעת זיהום האוויר של הובלות מטענים ברכבות במקום במשאיות. הדבר היחיד השונה בין שני התרחישים האלה הוא הפליטה, כי הפליטה היא תוצאה ישירה של השינוי במספר הרכבות או המשאיות שבהן נעשה שימוש.
ההשׁערה שלנו עבור ניסוי זה היא ששימוש רב יותר ברכבות להובלה על מסילות ברזל ושימוש מועט יותר במשאיות להובלה על כבישים ראשיים יתבטאו בעלייה בפליטות לאורך הקווים האדומים וירידה בפליטות לאורך הקווים הכחולים באיורם 1A,B. היות שרכבות מטען יכולות להוביל כמות סחורה רבה לכל גָּלוֹן 3.785) ליטרים) של דלק, איכות האוויר ברחבי כל המערב התיכון תשתפר. עבור החלק הראשון של ההשׁערה שלנו, אכן זה היה השינוי שראינו בפליטות מהתחבורה, כאשר השווינו את תרחיש 1 ואת תרחיש 2 לתרחיש הבסיס (איורים 1C-F) – עליות בפליטות ליום צבועות באדום, וירידות צבועות בכחול. שינויי הפליטה עבור NO2 (איור 1C) ועבור חומר חלקיקי דק עיקרי (איור 1E) בתרחיש 1, יחסית לתרחיש הבסיס, מראים שפליטות ממסילות הברזל בדרך כלל עלו, ופליטות בכבישים הראשיים בדרך כלל ירדו. מגמה זו חזרה על עצמה בפליטות בכל רחבי המערב התיכון בתרחיש 2 עבור NO2 (איור 1D) ועבור חומר חלקיקי דק עיקרי (איור 1F).
איור 2 מציג את אחוז השינויים בריכוזי המזהמים NO2 ופיח כתוצאה מתרחיש 2, שבו מטענים מובלים דרך אזור המערב התיכון. התוצאות עבור תרחיש 1, שבו מטענים מובלים בין ערים במערב התיכון, אינן מוצגות, כי השינוי בריכוזי המזהמים היה נמוך מ־1%. שימו לב שבהשוואה לאיורים 1C,D השינויים באיכות האוויר המוצגים באיורים 2A,B מפוזרים יותר ברחבי האזור, בִּמקום שיהיו מרוכזים על הכבישים ועל מסילות הברזל. הדבר נובע מכך שהזיהום שנפלט ישירות ממשאיות ומֵרַכָּבות נחשב כקורה בַּמקום עצמו, כלומר, לאורך מסילות הברזל והכבישים ראשיים (כמוצג באיור 1), אך אחר כך הזיהום מושפע ממזג האוויר, למשל מהירות הרוח וכיוונהּ ומשקעים, ומייצור חומרים כימיים ופירוקם באטמוספרה, היוצרים זיהום נרחב יותר (כמוצג באיור 2). למרות זאת, השינויים הגדולים ביותר באיכות האוויר עדיין עוקבים אחר צורת נתיבי הכבישים ומסילות הברזל, שם חלו שינויים בפליטות בין תרחיש 2 לתרחיש הבסיס. במדינת וויסקונסין למשל נמצאו עליות חדות ב־NO2 ובפיח לאורך נהר המיסיסיפי, שם יש מסילת ברזל, וירידות חדות נמצאו לאורך כביש ראשי במרכז המדינה. שינויים אלה גם מודגשים מאוד במיזורי ובמזרח קנזס. אפשר לראות שאף שריכוזי NO2 בתרחיש 2 צנחו סמוך לכבישים הראשיים, ריכוזי הפיח עלו מעט, אבל היו מפוזרים יותר (איור 2B).
- איור 2 - אחוז השינוי בתרחיש 2 יחסית לתרחיש הבסיס עבור המזהמים NO2 .A ו־B. פיח.
- עליות בריכוזים מוצגות באדום, ירידות בריכוזים מוצגות בכחול. הכחול והאדום הכהים יותר מצביעים על שינויי הפליטה הגדולים ביותר. שימו לב שסולמות הצבע שונים; המקסימום והמינימום עבור A הם 30%+ ו־30%- בהתאמה, והמקסימום והמינימום עבור B הם 27.5%+ ו־27.5%- בהתאמה. האיור הותאם ממאמרם של Bickford ועמיתיה [3]. Change in NO2 concentration = שינוי בריכוז ה־NO2 Change in EC concentration = שינוי בריכוז הפיח Difference = הפרש
דבר זה מדגים עד כמה קשה לפעמים לפתור בעיות של זיהום אוויר; שינויים כגון הַגְבָּרַת השימוש ברכבות והפחתת השימוש במשאיות לצורך הובלת מטענים עשויים לשפר חלק מבעיות זיהום האוויר, אבל עלולים לגרום להחמרת בעיות זיהום אוויר אחרות. פתרון בעיות זיהום אוויר קשה במיוחד כיוון שהבעיה אינה נגרמת רק בגלל חומרים חלקיקיים וגזיים שנפלטים ישירות מבעירה של חומרי דלק מחצביים, אלא גם בגלל תנאים מטאורולוגיים, או בגלל תגובות בין החומרים הכימיים האלה ובין חומרים אחרים שנמצאים באטמוספרה, היוצרות חומרים מזהמים. בנושא הובלת מטענים במערב התיכון, כדי לראות שיפור באיכות האוויר צריך לשלֵּב שינוי באופן הובלת המטענים ממשאיות לרכבות, יחד עם שינוי בסוג המנועים או בסוג הדלק (דיזל) המשמשים את הרכבות.
מחקר זיהום האוויר עשוי לעזור לציבור
המחקר מראה איך אפשר להבין טוב יותר את האופן שבו פעילויות אנושיות שונות כגון תחבורה גורמות לזיהום האוויר סביבנו. הדבר עוזר גם למדענים החוקרים את איכות האוויר באזור מסוים וגם לְבַקָּרֵי איכות האוויר, שאחראים לניטור איכות האוויר למטרות בריאות הציבור. למשל, על-ידי מדידת השינויים שחלים עקב הפחתת המשאיות הנוסעות בכבישים הראשיים והגבָּרַת ההובלה ברכבות, אנו יכולים להעריך שהפליטות של NO2 ושל חומר חלקיקי דק עיקרי פוחתות ליד הכבישים הראשיים ועולות ליד מסילות הברזל. מידע על שינויים בריכוזים הכוללים הוא יקר ערך לציבור, שצריך להפחית את זיהום האוויר כדי להגן על בריאותו. אפילו שינויים מקומיים קטנים יכולים להשפיע על יכולתו של הציבור לעמוד בהצלחה בסטנדרטים של איכות האוויר שקובע החוק.
מילון מונחים
זיהום אוויר (Air pollution): ↑ תרכובות כימיות גזיות או חלקיקיות שהן כתרחיף באטמוספרה, ועלולות לגרום לעַרְפִּיחַ ולהשפיע על בריאוּת האדם.
פליטוֹת (Emissions): ↑ תרכובות המשתחררות כתוצרי לוואי של שׂרֵפת מקורות אנרגיה.
זיהום אוויר סביבתי (Ambient air quality): ↑ מדד הקובע עד כמה האוויר בחוץ מזוהם (איכות האוויר גרועה) או נקי (איכות האוויר טובה).
תחמוצות החנקן (Nitrogen oxides, NOX): ↑ תרכובות כימיות גזיות המכילות אטומי חנקן וחמצן, נפוצות בעיקר באטמוספרה כחנקן דו־חמצני (NO2) או כחנקן חד־חמצני (NO).
היסוד פחמן (Elemental carbon, EC): ↑ ידוע גם כפחמן שחור. זהו פיח כהה שנפלט מבעירה בלתי מלאה.
תרכובות אורגניות נדיפוֹת (Volatile organic compounds, VOCs): ↑ תרכובות כימיות גזיות המכילות לפחות אטום פחמן אחד.
חומר חלקיקי דק (Fine particulate matter, PM2.5): ↑ תרכובות נוזליות או מוצקות שקוטרן קטן מ־2.5 מיקרומטר, וכוללות גם חומרים פחמניים מזהמים וגם חומרים לא-פחמניים מזהמים.
סחורות (Commodities): ↑ מזון ומוצרים שלקוחות קונים ומשתמשים בהם בחיי היומיום, וחומרים המשמשים בייצור.
מִטְעָן (Freight): ↑ מצרכים כגון מזון, ביגוד, חומרי בנייה, ציוד אלקטרוני ופריטים רבים נוספים שמוּבלים במשאיות, ברכבות או במטוסים.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
הערת שוליים
[1] ↑ ייתכן ששמעתם על משהו הנקרא ”שכבת האוזון“. זוהי שכבת O3 בסטרטוספרה (השכבה השנייה באטמוספרה של כדור הארץ המצויה מעל הטרופוספרה), אשר מגינה על בני האדם ועל צמחים שנמצאים על פני כדור הארץ מקליטת קרינה אולטרה סגולית (UV) מזיקה שמקורה בשמש. שכבה זו גבוהה מכדי שננשום אותה. כך, ”אוזון סטרטוספרי“ הוא דבר חיובי, בעוד ש”אוזון טרופוספרי“ הוא דבר שלילי. כשאנו מדברים על ”זיהום אוזון“, אנו מדברים רק על אוזון טרופוספרי.
מקורות
[1] ↑ Burnett, R. T., Pope, C. A., Ezzati, M., Olives, C., Lim, S. S., Mehta, S., et al. 2014. An integrated risk function for estimating the global burden of disease attributable to ambient fine particulate matter exposure. Environ. Health Perspec. 122, 397–403. doi: 10.1289/ehp.1307049
[2] ↑ EPA. 2014. U. S. Air Emissions Sources: Nitrogen Oxides. US Environmental Protection Agency.
[3] ↑ Bickford, E., Holloway, T., Karambelas, A., Johnston, M., Adams, T., Janssen, M., et al. 2014. Emissions and air quality impacts of truck-to-rail freight modal shifts in the Midwestern United States. Environ. Sci. Technol. 48, 446–54. doi: 10.1021/es4016102