Μαύρος Άνθρακας: Ο σωματιδιακός ρύπος στο μικροσκόπιο της νέας ευρωπαϊκής οδηγίας

Ο μαύρος άνθρακας συγκαταλέγεται στους σημαντικότερους βραχύβιους ατμοσφαιρικούς ρύπους που επηρεάζουν το κλίμα. Μετά το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), θεωρείται ένας από τους βασικότερους παράγοντες που συμβάλλουν στην υπερθέρμανση του πλανήτη, λόγω της ισχυρής ικανότητάς του να απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και να μεταβάλλει το ενεργειακό ισοζύγιο της ατμόσφαιρας. Παράλληλα, αποτελεί σοβαρή απειλή για τη δημόσια υγεία. Τα εξαιρετικά μικρά σωματίδιά του μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στο αναπνευστικό σύστημα και, σε ορισμένες περιπτώσεις, να περάσουν στην κυκλοφορία του αίματος. Η έκθεση σε αυτά έχει συσχετιστεί με καρδιοαναπνευστικά νοσήματα και αυξημένο κίνδυνο πρόωρης θνησιμότητας.

→ Οι κυριότερες πηγές εκπομπών μαύρου άνθρακα προέρχονται από διεργασίες ατελούς καύσης ορυκτών καυσίμων και βιομάζας.

→ Στις αστικές περιοχές, σημαντική συμβολή έχουν οι κινητήρες diesel, ιδιαίτερα από τις οδικές μεταφορές και τα βαρέα οχήματα, καθώς και η καύση καυσίμων στη ναυτιλία και τη βιομηχανία.

→ Κατά τους χειμερινούς μήνες, η οικιακή θέρμανση με ξύλο και βιομάζα αποτελεί μία από τις σημαντικότερες πηγές εκπομπών, ειδικά σε περιοχές με αυξημένη χρήση τζακιών και ξυλοσομπών.

→ Σημαντικές ποσότητες μαύρου άνθρακα εκλύονται επίσης από αγροτικές καύσεις, δασικές πυρκαγιές και άλλες ανεξέλεγκτες καύσεις βιομάζας.

Καμπάνια διασύγκρισής και βαθμονόμισης στο ελβετικό Federal Institute of Metrology METAS (2024)

Η αυξανόμενη επιστημονική τεκμηρίωση για τις επιπτώσεις του μαύρου άνθρακα έχει οδηγήσει και στην ενίσχυση του ευρωπαϊκού ρυθμιστικού πλαισίου. Ειδικότερα, ο μαύρος άνθρακας συμπεριλήφθηκε στη νέα ευρωπαϊκή οδηγία για την ποιότητα του ατμοσφαιρικού αέρα (Οδηγία (ΕΕ) 2024/2881 για την ποιότητα του ατμοσφαιρικού αέρα και καθαρότερο αέρα για την Ευρώπη) ως σημαντικός δείκτης παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και των επιπτώσεών της στο κλίμα και την υγεία. Η εξέλιξη αυτή αναδεικνύει την ανάγκη για αξιόπιστες, συγκρίσιμες και επιστημονικά τεκμηριωμένες μετρήσεις σε όλα τα κράτη-μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης.

Οι προκλήσεις στη μέτρηση του μαύρου άνθρακα

Παρότι η σημασία του μαύρου άνθρακα αναγνωρίζεται ολοένα και περισσότερο, η ακριβής και αξιόπιστη μέτρησή του εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική επιστημονική και τεχνική πρόκληση.

Ο όρος «μαύρος άνθρακας» δεν αντιστοιχεί σε ένα μοναδικό φυσικό μέγεθος, αλλά χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια ομάδα συναφών παραμέτρων, όπως ο ισοδύναμος μαύρος άνθρακας (equivalent Black Carbon – eBC), ο πυρίμαχος μαύρος άνθρακας (refractory Black Carbon – rBC) και ο στοιχειακός άνθρακας (Elemental Carbon – EC). Οι παράμετροι αυτές προσδιορίζονται με διαφορετικές τεχνικές και βασίζονται σε διαφορετικές φυσικές ή χημικές ιδιότητες των σωματιδίων, με αποτέλεσμα οι μετρήσεις να μην είναι πάντοτε άμεσα συγκρίσιμες.

Από τις διαφορετικές παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του μαύρου άνθρακα, μόνο η μέτρηση του στοιχειακού άνθρακα (Elemental Carbon – EC) βασίζεται σήμερα σε τυποποιημένη μέθοδο αναφοράς, όπως αυτή περιγράφεται στο ευρωπαϊκό πρότυπο EN 16909:2017. Το πρότυπο αυτό καθορίζει τη μεθοδολογία προσδιορισμού του στοιχειακού και οργανικού άνθρακα στο κλάσμα PM₂.₅ μέσω θερμο-οπτικής ανάλυσης.

Εκστρατεία μετρήσεων στο Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) (2023)

Παρ’ όλα αυτά, η πλέον διαδεδομένη μέθοδος προσδιορισμού των συγκεντρώσεων μάζας του μαύρου άνθρακα βασίζεται σε φωτόμετρα απορρόφησης (αιθαλόμετρα), στα οποία τα ατμοσφαιρικά σωματίδια συλλέγονται σε φίλτρα και η απορρόφηση του φωτός μετράται σε διαφορετικά μήκη κύματος(multi-wavelengthfilter-basedopticalabsorptionphotometers). Στη συνέχεια, ο συντελεστής απορρόφησης μετατρέπεται σε συγκέντρωση ισοδύναμου μαύρου άνθρακα (equivalent black carbon, eBC) μέσω της εφαρμογής κατάλληλου συντελεστή μετατροπής (Mass Absorption Cross-section, MAC).

Τα όργανα αυτά χρησιμοποιούνται ευρέως στα ευρωπαϊκά δίκτυα παρακολούθησης αερολυμάτων (π.χ. ACTRIS – Aerosol, Clouds, andTraceGasesResearchInfrastructure) εδώ και δεκαετίες, λόγω της επιχειρησιακής τους αξιοπιστίας, των περιορισμένων απαιτήσεων συντήρησης και της δυνατότητας συνεχούς, αυτοματοποιημένης λειτουργίας και καταγραφής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.Ωστόσο, η ακρίβεια των μετρήσεων επηρεάζεται σημαντικά από τη σύσταση και τις μικροφυσικές ιδιότητες των αερολυμάτων σε κάθε περιοχή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα σφάλματα μέτρησης μπορεί να φτάσουν ακόμη και το 400%.

Η απουσία ενός κοινού προτύπου για τη βαθμονόμηση των οργάνων και τον ακριβή προσδιορισμό του μαύρου άνθρακα παραμένει σημαντική πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα. Ως αποτέλεσμα, οι μετρήσεις από διαφορετικά δίκτυα και σταθμούς παρακολούθησης δεν είναι πάντοτε άμεσα συγκρίσιμες, γεγονός που περιορίζει την αξιοπιστία των εκτιμήσεων για την εξέλιξη της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και δυσχεραίνει τον σχεδιασμό και την εφαρμογή αποτελεσματικών περιβαλλοντικών πολιτικών και κανονιστικών μέτρων.

Ομαδική φωτογραφία από την τελική συνάντηση του έργου, που διοργανώθηκε από το  Ινστιτούτο Μετρολογίας Physikalisch-Technische Bundesanstalt, στο Βερολίνο (2026)

Το έργο STANBC

Αυτές τις προκλήσεις επιχείρησε να αντιμετωπίσει το ευρωπαϊκό έργο STANBC («Standardisation of Black Carbon Aerosol Metrics for Air Quality and Climate Modelling»), με συντονιστή φορέα το γερμανικό ινστιτούτο μετρολογίας PTB. Ύστερα από τρία χρόνια συνεργασίας μεταξύ κορυφαίων ευρωπαϊκών ινστιτούτων μετρολογίας και ερευνητικών οργανισμών, το έργο ολοκληρώνεται με σημαντικά επιστημονικά και κανονιστικά αποτελέσματα, τα οποία ενισχύουν την αξιοπιστία και την εναρμόνιση των μετρήσεων μαύρου άνθρακα στην Ευρώπη.

Κύρια επιτεύματα του έργου συνοψίζονται ως εξής:

♦ Ανάπτυξη ιχνηλάσιμων διαδικασίων βαθμονόμησης για δύο πρότυπες τεχνικές μέτρησης της απορρόφησης φωτός από ατμοσφαιρικά αερολύματα: Extinction Minus Scattering (EMS) και Photo-Thermal Interferometry (PTI). Οι τεχνικές αυτές παρέχουν μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο με αβεβαιότητα μικρότερη του 10% και αποτελούν πλέον τεχνικές αναφοράς υψηλής ακρίβειας («gold standard») για τη βαθμονόμηση οργάνων μέτρησης του μαύρου άνθρακα

♦ Ανάπτυξη μιας σαφώς καθορισμένης και ιχνηλάσιμης αλυσίδας βαθμονόμησης, η οποία εκτείνεται από τα εργαστηριακά πρότυπα αναφοράς έως τα φορητά φωτοακουστικά φασματόμετρα και τα αιθαλόμετρα που χρησιμοποιούνται σε σταθμούς παρακολούθησης της ποιότητας της ατμόσφαιρας

♦ Ανάπτυξη πρότυπης διαδικασίας λειτουργίας (Standard Operating Procedure – SOP) για τη χρήση οργάνων λέιζερ επαγόμενης πυράκτωσης (Single Particle Soot Photometer – SP2) στη μέτρηση του πυρίμαχου μαύρου άνθρακα (refractory Black Carbon – rBC), καθώς και αξιολόγηση της αβεβαιότητας των μετρήσεων μέσω πειραμάτων με συνθετικά αερολύματα υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες.

♦ Διερεύνηση της σχέσης μεταξύ των συγκεντρώσεων μάζας ισοδύναμου μαύρου άνθρακα (eBC), πυρίμαχου μαύρου άνθρακα (rBC) και στοιχειακού άνθρακα (EC) υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, με χρήση τεχνητών αερολυμάτων που προσομοιάζουν φρέσκα και γηρασμένα σωματίδια αιθάλης.

♦ Υποβολή και έγκριση νέας θεματικής πρότασης εργασίας (NewWorkItem) στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή Τυποποίησης CEN/TC 264 (ομάδα εργασίας WG35), η οποία αφοράτις μεθόδους προσδιορισμού της συγκέντρωσης μάζας μαύρου άνθρακα, του συντελεστή απορρόφησης φωτός αερολυμάτων και συναφών οπτικών παραμέτρων στον ατμοσφαιρικό αέρα.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις δράσεις και τα παραδοτέα του έργου, επισκεφθείτε την ιστοσελίδα του έργου: STANBC

Το έργο χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση Εθνικών Ινστιτούτων Μετρολογίας (EURAMET), και συγχρηματοδοτείται από το Πρόγραμμα Ερευνάς & Καινοτομίας Horizon της Ευρωπαϊκής Ένωσης και από τα συμμετέχοντα κράτη.