Výsledky projektu

V letech 2009 až 2011 probíhá na 10 místech o nadmořské výšce 1000 m při hranicích České republiky s Polskem, Německem a Rakouskem environmentální výzkumný projekt financovaný z veřejných zdrojů Norského království (CZ 0136). Projekt nese název „Monitoring trendů v přenosu znečišťujících látek přes státní hranice ČR s užitím nové monitorovací sítě nahřebenech hor a identifikace zdrojů prachových částic pomocí netradičních izotopů“. V průběhu každé zimy probíhá vzorkování námraz a sněhu na lokalitách rovnoměrně rozmístěných podél státní hranice ČR a vzdálených lidským sídlům. Vzorky jsou zpracovávány v ultračisté laboratořia analyzovány na stopová množství potenciálně toxických prvků v pevné i kapalné fázi. Poměry stabilních izotopů slouží k identifikaci možných zdrojů znečištění.

Mapa lokalit

Monitorovací síť - leták

Leták s informacemi o projektu ke stažení. Autor: Martin Novák

Prachové částice ovlivňují kvalitu života

Přenos prachových částic přes státní hranice v horských oblastech České republiky zasluhuje pozornosti ze dvou důvodů: Za prvé, lesní povodí horských oblastí jsou důležitým zdrojem pitné vody a akumulace znečišťujících látek v ekosystémech se může stát „časovanou bombou“ pro kvalitu vod. Za druhé, podle údajů Státního zdravotního ústavu dojde v ČR ročně až k 12 tisícům úmrtí způsobených vdechováním prachových částic. Značná část těchto částic stále pochází z velkých průmyslových center,nalézajících se v různé vzdálenosti od lidských sídel, část z lokálních topidel. Projekt studuje časové trendy v tocích prachových částic/aerosolů v místech bez lokálních bodových zdrojů znečištění a identifikuje změny v jejich zdrojových oblastech.

Směr vzdušných proudů

V projektu využíváme čtyři typy informací, které vedou k identifikaci pravděpodobných míst původu toxických látek v atmosféře: (i) odběr námraz je orientován (fixní poloha odběrových terčů vůči světovým stranám,akumulace námraz na návětrné straně), (ii) je užívána databáze zpětných drah vzdušných mas nad Evropou v době odběru vzorků, (iii) jsou užívány přírodní izotopové značkovače zdrojů a (iv) jsou užívány statistické nástroje při znalosti typických koncentračních poměrů těžkých kovů u konkrétních velkých evropských zdrojů emisí.

Dlouhodobé trendy v kvalitě ovzduší

Ve vrcholové partii Orlických hor, postižených odumíráním smrků vinou kyselého deště, byla provedena pilotní studie. Identickou metodoubyly vzorkovány námrazy a sníh ve dvou časově vzdálených obdobích. Zatímco první sledované zimy (1984–1986) spadaly ještě do doby centrálního plánování s vysokými emisemi elektrárenských popílků, druhé období (2003–2005) následovalo až po prudkém poklesu průmyslových exhalací. Pilotní studie se zaměřila na rychlost poklesu depozice arzénu. Za uvedených 20 let poklesly koncentrace arzénu v námrazách 16×, zatímco ve sněhu „pouze“ 8×. Jednou ze stěžejních myšlenek současného projektuje vytvořit robustní vzorkovací a analytickou metodiku, která bude k dispozici k intenzivnímu monitoringu i v budoucnosti, např. každých dalších 20 let. Takové sledování kvality ovzduší je finančně méně náročné než kontinuální monitoring a přitom zachovává vysokou výpovědní hodnotu.

Příčina rozdílů v chemismu námraz a sněhu

Námrazy zachycují horizontální atmosférickou depozici. Zachycené částice jsou často menší oproti částicím, usazujícím se na povrchu sněhu. Sníh zachycuje vertikální atmosférickou depozici. Pro některé chemické prvky lze ukázat, že transportní vzdálenost – a tudíž i zdrojová oblast – látek zachycených horizontální a vertikální atmosférickou depozicí se liší. Např. v případě arzénu horizontální atmosférická depozice (v létě mlha, v zimě námrazy) zachycuje spíše částice ze vzdálených zdrojů, zatímco vertikální depozice (v létě déšť, v zimě sníh) zachycuje částice pocházející z blízkých zdrojů. Větší a těžší částice elektrárenského popela dopadají na zemský povrch blízko zdroje.

Studované prvky

Projekt zkoumá cesty disperze těchto chemických prvků: Al, As, Bi, Be, Cu, Co, Cr, Cd, Fe, Mn, Ni, Pb, Sb, Sc, Ti, Th, U, V a Zn. Některé studované prvky (např. Cr, Cd) se vyznačují vysokou ekotoxicitou. Další vesměs litofilní prvky (např. Sc) byly zahrnuty z důvodu konzervativního chování v ekosytémech. Lze je užít při výpočtu faktorů antropogenního obohacení škodlivin v místě odběru.

Metodika

V období od 15. listopadu do 15. dubna jsou v intervalu 7 až 10 dní odebírány na všech 10 horských stanovištích 3 vzorky námraz a 3 vzorky sněhu. Každý vzorek námraz z výšky 1,2 m nad sněhovou pokrývkou obsahuje depozici zachycenou na 4 orientovaných plastových terčích s členitým povrchem. Vzorky jsou zpracovány v přetlakové atmosféře čistélaboratoře. Laminární boxy zajišťují snížení počtu kontaminujících částic až na úroveň <100 částic na krychlovou stopu. Řada slepých pokusů zpřesňuje analytická data. Koncentrační stanovení jsou prováděna na hmotnostním spektrometru s plazmovým zdrojem (ICP SF MS) Element 2 (Thermo Finnigan). Eluční chromatografií jsou získávány čisté frakce prvku pro izotopová stanovení tak, aby při měření hmotnostních spekter nedocházelo k nežádoucím interferencím s jinými prvky. Pro izotopová stanovení je využíván multikolektorový hmotnostní spektrometr s plazmovým zdrojem (MC ICP MS) Neptune (Thermo Finnigan).

První přístroj ke studiu netradičních izotopů ve Střední Evropě

Získání přístroje MC ICP MS v hodnotě 27 mil. Kč tvořilo značnou část finanční náročnosti projektu CZ 0136. Postupně jsou vypracovávány metodiky pro stanovení izotopových poměrů zinku, mědi, chrómu, hořčíku a olova.

Přístroj MC ICP MS

Přístroj MC ICP MS (Autor: Petr Neubert)

Přínos multikolektorového ICP MS environmentálnímu výzkumu

Izotopová geochemie tradičně užívala dvou metod hmotnostní spektrometrie: IRMS pro stanovení izotopového složení lehkých prvků (H, C, N, O, S), a TIMS pro stanovení izotopového složení těžkých prvků (Rb-Sr, U-Pb, K-Ar, Sm-Nd, Os-Re). Lehké prvky byly zpravidla analyzovány v plynném skupenství, zatímco vzorky těžkých prvků byly připravovány v pevném skupenství.U lehkých prvků byly užívány izotopové frakcionace k identifikaci procesů a zdrojů. U těžkých prvků bylo využíváno skutečnosti, že rozpadem mateřského izotopu přibývá radiogenního izotopu, k datování geologických procesů a k identifikaci zdrojů. Po celá desetiletí převládal názor, že izotopové frakcionace těžkých prvků jsou zanedbatelně malé. Tento názor vycházel z jednoduchého výpočtu: jeden nebo dva neutrony navíc v jádře atomu lehkého prvku tvoří poměrně velké procento celkové hmotnosti jádra a projeví se v rychlostech reakcí. Např. v jednosměrných reakcích těžší izotop reaguje pomaleji než lehký izotop. Jeden nebo dva neutrony navíc v jádře těžkého prvku naproti tomutvoří zanedbatelné procento celkové hmotnosti a frakcionacenejsou měřitelné. S příchodem multikolektorového ICP MS (MCICP MS) se stalo technicky schůdným měřit a interpretovatony „malé“ frakcionace těžkých prvků. Začala nová kapitolav rozvoji geochemie. Z 83 neradioaktivních chemických prvkůcelé tři čtvrtiny mají dva nebo více izotopů. Variace v izotopovémsložení těchto prvků lze užít v celé řadě geovědních disciplin(biogeochemie, globální změny, disperze polutantů v životnímprostředí, paleoklimatologie, lékařská geologie, planetárnígeologie, vznik a vývoj života, vývoj zemského pláště a kůry,geneze nerostných surovin). Geochemie netradičních izotopů sezačala bouřlivě rozvíjet v několika posledních letech. Největšíhopokroku bylo dosaženo u těchto deseti

Výsledky

Sloupcové grafy zachycují průměrné koncentrace vybraných prvků nebo iontů od západu k východu, v pořadí dle šedých šipek v mapce lokalit uvedené na 1. straně letáku. Nejprve jsou seřazeny lokality v severní polovině České republiky od západních Krušných hor po Beskydy, za nimi tři jižní lokality (Český les, Šumava a Novohradské hory). Údaje jsou pro druhou polovinu zimy 2008/2009 (kapalná fáze).

Grafy - arzén, olovo, chrom a berylium

Obsahy arzénu a olova ve vertikální depozici (sníh) vykazují stejný prostorový gradient. Nejvíce znečištěnými lokalitami jsou Beskydy a Jeseníky. Jižní Čechy nejsou překvapivě výrazně „čistší“ než severní Čechy.
Obsahy chrómu a berylia jsou nejvyšší opět v Beskydech. Pozoruhodná je nízká koncentrace těchto prvků v Orlických horách. Krušné hory a Český les patří k místům o vysoké koncentraci Cr a Be

Grafy - zinek, antimon, arzén

Pro zinek a antimon nejsou pozorovány jednoduché geografické gradienty. Koncentrace obou prvků jsou v Českém lese stejně vysoké nebo vyšší než v Beskydech.
Srovnání chemismu vertikální a horizontální depozice: Námrazy vykazují nejvyšší koncentrace arzénu v Krkonoších a Orlických horách. Geografický gradient znečištění zachycený námrazami se tak liší od vertikální depozice (maximum v Beskydech a Jeseníkách).

Grafy - sníh a námrazy

Okyselující sulfát je obsažen v kapičkách aerosolu, vzniká oxidací oxidu siřičitého ze spalovacích procesů. Sulfát může být příkladem různé vzdálenosti vzdušného transportu látek pro vertikální a horizontální depozici. Zatímco námrazy, obecně zachycující znečišťující látky ze vzdálených zdrojů, vykazují zřetelně maximum v Orlických horách, sníh, který spíše zachycuje blízké zdroje, nevykazuje v rámci České republiky jednoznačné prostorové trendy. Beskydy a Šumava vykazují nejvyšší koncentrace sulfátu ve vertikální depozici (sníh).

Seznam zkratek

KšZ – Krušné hory, západ
KšV – Krušné hory, východ
Jiz – Jizerské hory
Kr – Krkonoše
Orh – Orlické hory
Jes – Jeseníky
Bes – Beskydy
Čls – Český les
Šum – Šumava
Noh – Novohradské hory

Archivy historických změn v úrovni znečištění

Letokruhy dřevin či vertikální profily rašelinou mohou za jistých okolností zachycovat změny v úrovni atmosférické depozice škodlivin v době,kdy ještě neprobíhal environmentální monitoring.Olovo (Pb) je v organickém materiálu málo mobilní a proto vhodné pro studium. Horní graf srovnává obsahy Pb v letokruzích smrku ztepilého na severu a jihu Čech (Krušné hory a Šumava).Sever vykazuje zřetelné maximum v době nejvyšších produkcí hnědého uhlí v Mostecké a Sokolovské pánvi (80. léta 20. století). Poměr izotopů 206Pb/207Pb ve stejné době vykazuje rovněž maximum. Blíží se vysoké hodnotě 206Pb/207Pb uhlí.Jiné antropogenní zdroje Pb, jakými jsou spalování olovnatého benzínu a metalurgie, mají relativně nízký poměr 206Pb/207Pb (dolní graf).

Graf Pb historický

Literatura

Novák M., Erbanová L., Fottová D., Cudlín P., Kuběna A. 2011. Behaviour of arsenic in forested catchments following a high-pollution period. Environmental Pollution 159, 204-211.
Novák M., Míkova J., Krachler M., Košler J., Erbanová L., Přechová E., Jačková I., Fottová D. 2010. Radial distribution of lead and lead isotopes in stem wood of Norway spruce: A reliable archive of polution trends in Central Europe. Geochimica et Cosmochimica Acta 74, 4207-4218.
Novák M., Erbanová L. Fottová D., Voldřichová P., Bláha V., Veselovský F., Krachler M. 2010. Increasing arsenic concentrations in runoff from 12 small forested catchments (Czech Republic, Central Europe): Patterns and sources. Science of the Total Environment 408, 3614-3622.
Erbanová L., Novák M., Fottová D., Doušová B. 2008. Export of arsenic from forested catchments under easing atmospheric pollution. Environmental Science & Technology 42, 7187-7192.
Doušová B., Erbanová L., Novák M. 2007. Arsenic in atmospheric deposition at the Czech–Polish border: Two sampling campaigns 20 years apart. Science of the Total Environment 387, 185-193.

Poděkování

Projekt „Monitoring of transboundary air pollution by isotope fingerprinting of sources“ byl podpořen grantem z Norska prostřednictvím Norského finančního mechanismu (CZ 0136).

Text M. Novák
Fotografie a produkce P. Neubert
Vydala Česká geologická služba, 2010

Řešitelé projektu

Řešitelé projektu. Horní řada zleva: Juraj Farkaš, Martin Novák, Vladislav Chrastný, František Veselovský, Vladimír Bláha; dolní řada zleva: Jitka Míková, Petra Voldřichová, Lucie Erbanová a Eva Přechová. (Autor: Petr Neubert)