בלוג

אפקט החממה

מבוא

אפקט החממה הוא תהליך טבעי שבו קרני שמש פוגעות בכדור הארץ, נקלטות בקרקע ובמים, ונפלט חום בצורה של קרינה תת-אדומה.
הקרינה התת-אדומה הנפלטת מכדור הארץ נתקלת במעטה גזי שנמצא באטמוספירה, וכתוצאה מכך הקרינה מוחזרת שוב כלפי כדור הארץ וגורמת לחימום כדור הארץ.
בעצם הקרינה התת אדומה “נכלאת” בכדור הארץ, במקום להיפלט לחלל.
התהליך נקרא “אפקט החממה” מכיוון שהוא דומה לאופן פעולת החממה – קרני השמש חודרות מבעד לקירות החממה ונלכדות בפנים ולכן מתרחשת עלייה בטמפ' בתוך החממה.

לאפקט החממה קיימים 2 היבטים:

1) היבט האחד הוא שמדובר באפקט טבעי שמאפשר את החימום של כדור הארץ.
חימום כדור הארץ במידה הנכונה הוא הכרחי על מנת לאפשר חיים.
אלמלא אפקט החממה, קרינה תת אדומה (חום) הייתה בורחת מאטמוספירת כדור הארץ, והכוכב שלנו היה עובר לעידן קרח.

2) היבט שני הוא הפגיעה בתהליך הטבעי של אפקט החממה על ידי בני האדם.
בני האדם אחראים לפליטות גזים בכמויות גבוהות ולכן נוצרת החרפה באפקט החממה דבר שגורם לעליה בטמפרטורה הכללית של כדור הארץ וזה גורם לשינוי בתנאי האקלים בכדור הארץ.

הערה: אפקט החממה במבנה חקלאי חממה, וברכב
עיקרון החימום בחממה (מבנה חקלאי) הוא מעט שונה מעיקרון “אפקט החממה”.
בחממה הרעיון הוא ללכוד אוויר חם בתוכה, על ידי בידוד של האוויר החם מהאוויר הקר הנמצא מחוצה לה.
חום מועבר בכמה מנגנונים, שאחד מהם הוא “הסעה” (convection), ולכן עצם הבידוד של האוויר הפנימי החם מהאוויר החיצוני שהוא פחות חם מאפשר שמירה על טמפ’ גבוהה בתוך החממה.
“אפקט החממה” דומה לחממה בכך שהחממה לוכדת את הקרניים התת-אדומות ובכך מאפשרת חימום של פנים החממה לטמפ’ גבוהה יותר.


"אפקט החממה" מתרחש גם ברכב , בזמן שהרכב מחנה בשמש.
קרני שמש חודרים מבעד לשמשות הרכב מחממים את פנים הרכב (דאשבורד, חלקי מתכת, פלסטיקים).
הרכיבים בפנים הרכב מתחממים ופולטים קרינה תת-אדומה, הקרינה התת אדומה אינה חודרת מבעד לשמשות הרכב, ולכן הקרניים התת אדומות נלכדות בפנים הרכב,
כתוצאה מכך טמפ' פנים הרכב ביום קיצי עלולה להגיע לטמפ' קיצוניות של 50 עד 60 מעלות צלזסיוס.

קרינת שמש

קרינת השמש (sunlight) היא קרינה אלקטרו-מגנטית המורכבת מטווח רחב של ספקטרום הגלים האלקטרו-מגנטי.
הקרינה המגיעה לכדור הארץ מורכבת מגלים באורכים שונים, על פי ההרכב הבא:

קרינת השמש חודרת דרך האטמוספירה השקופה לקרינה בתחום האור הנראה ומעבירה אנרגיה לגופים על פני כדור הארץ כמו הקרקע והמים.
האנרגיה שנקלטה בקרקע ובים נפלטת בחזרה לאוויר בעיקר כקרינה אינפרא-אדומה.
הקרינה בתחום האינפרה אדום מתפזרת לכל הכיוונים, חלקה נפלט לחלל וחלקה מוחזר לכיוון כדור הארץ על ידי גזי החממה.

30% מקרינת השמש מוחזרת לאטמוספירה מהעננים ומפני כדור הארץ, ואינה משתתפת בחימום האטמוספירה.
19% מהקרינה נבלעת באוויר ובעננים ומחממת אותם באופן ישיר.
51% מהקרינה פוגעת בקרקע ובים, נבלעת בהם וגורמת לחימומם.

גזי חממה

גזי חממה הם גזים שנמצאים באטמוספירה ומשתתפים בתהליך של קליטה ופליטה של קרינה בטווח התת-אדום.
התהליך הזה של קליטה ופליטה של קרינה תת-אדומה הוא היסוד של אפקט החממה.
לגזי החממה יש השפעה ניכרת על הטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ, וללא גזי החממה הטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ תרד ב 33 מעלות צלזסיוס, דבר שיביא את הטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ ל 14 מעלות צלזסיוס.

גזי החממה העיקריים הם:
• אדי מים – כתוצאה מאידוי של מים בכדור הארץ
• פחמן דו-חמצני- כתוצאה מפעילות וולקנית, נשיפות של בני אדם ובעלי חיים, תוצרי שריפה של דלקים פוסיליים, שריפת חומרים אורגניים (עץ)
• מתאן – נוצר כתוצאה מתהליכי עיכול של בעלי חיים (נפיחות), גידול אורז בשטחים מוצפים, תהליכי פירוק פסולת אורגנית (מטמנות פסולת, מכוני טיהור שפכים)
• חנקן תת-חמצני – (ידוע כגז צחוק) מקורותיו הם בתהליכים מיקרוביים בקרקע ובמים
• אוזון
• משפחת הפריאונים CFC

השפעת בני האדם על אפקט החממה

תלות בני האדם בפחם ובנפט לתהליכי בעירה מוביל לעליה בריכוז גזי החממה.
שיעור הפחמן הדו-חמצני שהוא תוצר של תהליכי בעירה, עולה דראסטית בשנים האחרונות.
תהליכים של מדבור, הכחדת יערות, וכיסוי השטח בכבישים ובערים פוגע במערכת האקולוגית שקולטת פחמן דו חמצני בתהליכי פוטוסינטזה.
בעלי חיים, ובעיקר בעלי חיים מעלי גרה (פרות,כבשים) אחראים לפליטות גז מתאן שהוא גז חממה.
גז המתאן נוצר בפעילות מעיים של החיות.
בעקבות הדרישה הגדולה למזון מן החי, קיים ריבוי של בעלי החיים מהסוג הנ”ל ולכן פליטת המתאן גדלה דראסטית.
ובכך בני האדם גורמים לפגיעה בתהליך הטבעי של אפקט החממה, ותורמים להתחממות הגלובלית.

זיהום אוויר

מבוא

אטמוספרת כדור הארץ היא מעטה גז מסביב לכדור הארץ, והיא מחולקות ע”פ שכבות.
‏בשכבה הנמוכה – המשתרעת מפני הכדור הארץ ועד גובה 17 ק”מ מעל פני כדור הארץ, השכבה נקראת טרופוספירה, ובשכבה זו מתקיימים החיים והאקלים.‏
האוויר שאנו נושמים הוא נמצא בשכבה זו.
האוויר מורכב ממספר יסודות גזיים בריכוזים שונים:‏
חנקן ‏C ‎‏ 78.084%‏
חמצן ‏O‏ 20.984%‏
ארגון ‏Ar‏ 0.934%‏
פחמן דו-חמצני ‏CO2‎‏ 0.0314%‏
כמות מזערית (0.0166%) של גזים אחרים.‏

גורמי זיהום

דלקים שמקורם במאובנים, כדגומת פחם,נפט,גז טבעי, מניעים את התעשייה ומאפשרים את החיים ‏המודרניים כפי שאנו מכירים אותם, אבל לעובדה זו יש גם אספקט שלילי.‏
האוויר שאנו נושמים, המים שאנו שותים והסביבה משלמים מחיר כבד בעקבות פגיעה ‏הנגרמת ממזהמים שמקורם בתוצרים של תהליכי שריפה.‏
המזהמים אחראים לערפיח, גשם חומצי, התחממות גלובלית, ושינויי אקלים.‏
הזיהום הסביבתי הגיעה לרמה גבוהה כל כך שהוא נהפך לאיום ממשי לבריאות בני האדם, בעלי ‏החיים והצמחייה.‏
זיהום אוויר הוכח כגורם למחלות כמו אסטמה וסרטן. מוערך שבארה”ב לבדה מעל 60,000 אנשים ‏נפטרים כל שנה עקב בעיות לב וריאות שקשורות לזיהום אוויר.‏
בישראל זיהום אוויר גורם לאלפי מקרי מוות בטרם עת בשנה, ולתחלואה גדולה.‏
לפי ארגון הבריאות העולמי מתים 4.6 מליון אנשים מידי שנה מסיבות שקשורות באופן ישיר ‏לזיהום אוויר.‏
המקור העיקרי של זיהום אוויר הוא תחנות כח לייצור חשמל (בערך 60%), ואחריו ברשימת המזהמים גזי פליטה של כלי רכב.

סוגי מזהמים


פחמן חד-חמצני ‏CO ‎‏ (‏Carbon Monoxide‏)

גז רעיל, חסר צבע וריח האחראי ליותר הרעלות מאשר כל מזהם אוויר אחר.‏
כשני שלישים של הזיהום הסביבתי שיוצר הפחמן החד-חמצני‎ ‎‏מקורו בגזי פליטה של כלי רכב ‏והשאר בשריפות דלקים ופעילויות תעשייתיות אחרות.‏
רמות ‏CO‏ גבוהות ומסוכנות עלולת להיווצר במרכזים עירוניים בשל תנועת כלי הרכב הכבדה ‏בערים- עומס תחבורתי.‏
במקרה של נשימת אוויר רווי בפחמן חד-חמצני, הפחמן החד-חמצני מונע אספקה תקינה של חמצן לאיברי הגוף דבר שעלול לגרום לבעיות בריאותיות ולהסתיים אפילו במוות.
מספיקות 7 שניות של חוסר באספקת חמצן למוח בכדי לגרום להתעלפות, ומספר שניות בודדות נוספות בכדי לגרום לנזקים בריאותיים חמורים.
פגיעה באספקת החמצן נגרמת בעקבות העובדה שפחמן-חד חמצני מתרכב ביעילות עם ‏ההמוגלובין שנמצא בתאי הדם האדומים.
תפקידם של ההמוגלובין הוא לשנע חמצן לתאי הגוף, הפחמן החד-חמצני פוגע בתהליך שינוע זה בכך שהוא מתרכב עם ההמוגלובין, ונוצר מצב שבמקום שההמוגלובין ישנע חמצן הוא משנע פחמן-חד חמצני לתאי הגוף בעוד שתאי הגוף זקוקים לחמצן בכדי להתקיים ולא לפחמן חד-חמצני.
בריכוזים נמוכים פחמן חד-חמצני מונע אספקה תקינה של חמצן למוח ולשרירים ופוגע בתנועת ‏הגוף וברפלקסים ופוגע בשיקול הדעת.‏
המתנה בגודש תנועה עלולה לחשוף את הנהג לריכוזים נמוכים של פחמן-חד חמצני. ומצב של השארת כלי רכב ממונעים בתוך מבנה סגור עלול לחשוף את האדם לריכוזים גבוהים ‏ולגרום להקאה, אובדן הכרה ואף למוות מחנק.‏
ריכוזים גבוהים יכולים להתרחש במצב שבו נותרים כלי רכב ממונעים בתוך מבנה סגור, או כתוצאה מדליפות גזי פליטה לתוך פנים המכונית.
בעירה בלתי מושלמת גורמת לפליטת יתר של פחמן-חד חמצני.
‏ פחמן חד-חמצני מהווה איום ממשי לאנשים עם בעיות לב, ולפעוטות שזקוקים לכמות חמצן גדולה ‏למוחם המתפתח.‏


תחמוצת החנקן NOx

קבוצה זו כוללת בעיקר חנקן דו-חמצני.‏
המקור העיקרי לתחמוצות חנקן הינו שריפה של דלקים במנועי בעירה פנימית – דוגמת מנועי ‏מכוניות, תחנות כח ומפעלי תעשייה.‏
תחמוצות חנקן מסייעות ביצירת ערפיח הפוטוכימי (‏Smog‏).‏
ריכוזים גבוהים של תחמוצות החנקן באוויר משפיעים ישירות על שיעור מחלות דרכי הנשימה ‏וגורמים כאבי ראש וגירוי של רירית העיניים.‏


פחמימנים HC (Hydrocarbons)

קבוצה גדולה של חומרים אורגניים נדיפים (‏Volatile Organic Compounds‏) נקראת בקיצור ‏VOC ‎‏.‏
חלק גדול מהזיהום שגורמים קבוצה זו של מזהמים נובע מהתנדפות של דלקים – במהלך תדלוק ‏או בגלל דליפות או חוסר אטימה מוחלט של מיכלי דלק.‏
המקורות שמשחררים פחמימנים לאוויר – ממסים, חומרי ניקוי ביתיים המכילים בנזןC_6 H_6‎‏, ‏בוטאן.‏
הבנזן מצוי ברשימת המסרטנים הוודאים ע”פ משרד הבריאות הישראלי.‏
חשיפה לריכוזים גבוהים של בנזן בנסיבות תעסוקתיות הוכחה כקשורה באופן ברור ללוקמיה.


תחמוצת גפרית SOx

קבוצה זו כוללת את גופרית-דו חמצנית ‏SO_2‎‏ שמקורו בשריפת דלקים עתירי גופרית, ומתהליך ‏עיבוד תעשייתי של עפרות ברזל ומתכות אחרות.‏
מדינות מתוקנות מחייבות מפעלים להתקין סולקנים (מתקני סילוק מיוחדים) להפחתת הגרפית ‏הנפלטת ממקורות בעירה תעשייתיים.‏
השלכות בריאותיות של תחמוצות גפרית מתבטא בהפרעות נשימה, במיוחד כאשר נוצרים ‏חלקיקים חומציים.‏


מתכות כבדות

5 מתכות כבדות עיקריות המצויות בחלקיקים שבאטמוספרה:
קדמיום, בריליום, ניקל, כספית, עופרת.‏
עבור ארבעת המתכות הראשונות רק תושבים המתגוררים בסמוך למקורות פליטה מסוימים ‏חשופים לסכנות בריאותיות חמורות .
‏ האחרונה – עופרת מהווה גורם מזהם בעל תפוצה רחבה, בעיקר משום שהמקור העיקרי למזהם זה הינו ‏שריפת דלקים במנועי בעירה.‏
המעבר לשימוש בדלקים נטולי עופרת בעיקר בכלי רכב הינו פיתרון משמעותי וישים להפחתת ‏הזיהום מעופרת.‏
הצטברות עופרת בגוף פוגעת במערכת הרבייה, בייצור תאי הדם, ובתיפקוד הכליות והכבד.‏
במקרים קיצוניים חשיפה מוגברת למתכות המוזכרות לעיל עלולה להסתיים במוות.‏


אוזון O3

גז האוזון הוא מרכיב עיקרי של הערפיח המתפתח מעל אזורים, שבהם קיימת תנועת רכבים ‏כבדה.‏
חשוב להבחין בין האוזון ה’רע’ המצטבר סמוך לפני כדור הארץ, לבין האוזון ה’טוב’ המצוי ‏בסטרטוספירה – שכבת האוויר בגובה של למעלה מ20 ק”מ העוטפת את כדור-הארץ ומגנה עליו ‏מפני הקרינה העל-סגולית (‏UV‏) המסוכנת.‏
האוזון ה’רע’ מצטבר סמוך לפני הקרקע ומהווה גורם מזהם.‏
שלא כשאר המזהמים, הוא אינו נפלט ע”י גורם זה או אחר, אלא הוא תוצר של ריאקציה פוטוכימית ‏בין תחמוצות חמקן וחומרים אורגניים נדיפים (‏Volatile Organic Compounds‏) המגיעים גם הם ‏לאוויר.‏
את פליטת ה-‏VOC ‎‏ קשה לצמצם עקב מיגוון המקורות הגורמים לשיחרורו לאוויר, וביניהם כלי ‏רכב, תחנות כח , תחנות דלק,מכבסות לניקוי יבש ומפעלים כימיים.‏
השלכות בריאותיות – חשיפה לאוזון גם ברמות נמוכות, גורמת לנזק מצטבר, ולמחלות כגון ‏גירויים בעיניים, קשיי נשימה, בחילות, החמרת מחלות נשימתיות דוגמת אסטמה.


ערפיח Smog

מושג המתייחס ליצירת גז אוזון מתחמוצות חנקן שונות ע”י ריאקציה המתרחשת בנוכחות אור ‏שמש ונוכחות חלקיקים ומזהמים אורגניים שונים.‏
במטרופולינים ובאזורים עירוניים שבהם מתקיימת תנועת כלי רכב רבה, ביום קיצי חם ניתן ‏להבחין בענן צהוב כהה או חום האופף את העיר – הענן נקרא ערפיח והוא מורכב בעיקר מגז אוזון ‏O3‎‏ ומכיל בנוסף מספר כימיקלים אחרים דוגמת פחמן חד-חמצני, אבק, חומרים אורגניים נדיפים (VOC) ‏כמו בנזן ובוטאן ופחמימנים נוספים.‏
האוזן שנמצא בערפיח נקרא ‏Ground-Level Ozon‏ והוא נחשב לאוזון ה’רע’.‏
בתהליך יצירת האוזון ה’רע’, פחמימנים ותחמוצות חנקן מגיבים בנוכחות קרינה מהשמש בימים ‏חמים ויוצרים אוזון שהוא כאמור המרכיב העיקרי של הערפיח.‏
הערפיח מגיע לשיאו בד”כ בשעות אחה”צ כאשר הטמפרטורה גבוהה ויש קרינה רבה מהשמש.‏

למרות שהערפיח נוצר במרכזי ערים שבהם מתקיימת תנועת כלי רכב רבה, ותעשייה, הרוחות ‏יכולות להסיע את הערפיח מאות קילומטרים למחוזות אחרים, דבר המוכיח שלזיהום האוויר אין גבולות והוא בעיה כלל עולמית.‏ ‏
האוזן פוגע בריאות בכך שהוא פוגע בנאדיות – שהם רקמות על פני הריאה שתפקידם לקלוט את ‏החמצן מהאוויר (תהליך פעפוע) ולהעבירו להמוגלובין לצורך אספקת החמצן לתאי הגוף, ‏ותפקיד נוסף של הנאדיות הוא לפלוט את הפחמן דו-חמצני אל מחוץ לגוף.‏
האוזון מקשה את הרקמה הרכה וספוגית שבתוך הריאה (נאדיות) ובכך פוגע ביכולת של הריאות ‏לספק חמצן לגוף.‏
האוזון גורם לגירויים בעיניים,קוצר נשימה, חרחורים, עייפות, כאבי ראש,בחילות ומחמיר מחלות כמו ‏אסטמה.‏
כל חשיפה לאוזון גורמת לנזק קטן בריאות, בדיוק כמו עשן סיגריות, ובסופו של דבר נוצר נזק מצטבר שפוגע ‏בתפקוד הריאות.‏
כאשר שורר ערפיח, מומלץ להישאר ספונים בבתים,ולמזער פעילות גופנית בכדי למזער נזק ‏בריאותי.‏
האוזון גם פוגע בצומח בכך שגורם נזק לרקמות של הצמח.‏

בארה”ב באזורים בהם היווצרות הערפיח היא שכיחה כמו לוס אנג’לס, ניו יורק, ו15 מדינות נוספות, כלי רכב ‏משתמשים בדלק שנקרא ‏Reformulated gasoline (RFG)‎‏ שזה דלק שמתוסף בחמצן (2% לפחות) ‏על מנת לאפשר בעירה נקייה יותר ובכך להפחית את כמות פליטת המזהמים של כלי הרכב.‏
כ30% מהדלק שנמכר בארה”ב הוא דלק ‏RFG ‎‏ וזה תורם למיגור תופעת הערפיח ופליטת המזהמים.‏


מקורות

Thermodynamics: An Engineering Approach – Cengel & Boles – 4th Edition