IV.9 Látky bez imisního limitu

IV.9.1 Těkavé organické látky (VOC)

Těkavou organickou látkou je, podle zákona o ochraně ovzduší, jakákoli organická sloučenina nebo směs organických sloučenin, s výjimkou metanu, která má při 20 °C tlak par 0,01 kPa nebo více, nebo má odpovídající těkavost za konkrétních podmínek jejího použití. Těkavé organické látky (VOC) hrají důležitou úlohu v chemii ovzduší a tedy i v oxidační síle atmosféry, což ovlivňuje stav a kvalitu ovzduší. Spolu s oxidy dusíku se VOC významně podílí na procesu tvorby přízemního ozonu a dalších fotooxidačních znečišťujících látek. Přeměny a odbourávání VOC zpravidla začínají reakcí s hydroxylovým radikálem (Víden 2005). Vzhledem k rozsahu různě dlouhé reaktivity jednotlivých VOC a k jejich množství nebyl u těchto látek stanoven imisní limit.

Monitoring VOC byl do programu EMEP zařazen na základě rozhodnutí EMEP Workshop on Measurements of Hydrocarbons / VOC v Lindau 1989 (EMEP 1990). Vlastní měření bylo na Observatoři Košetice zahájeno v průběhu roku 1992, o tři roky později jej pak doplnilo identické měření na stanici Praha 4-Libuš. V rámci EMEP byl zpočátku monitoring realizován na pěti stanicích, ale v průběhu 20 let se počet stanic i rozsah měřených uhlovodíků několikrát změnil. Na Observatoři Košetice se podařilo udržet homogenní řadu měření až do současnosti. Od roku 2011 byla Observatoř Košetice zapojena do projektu ACTRIS, realizovaného v rámci EU 7th Framework Programme INFRA-2010-1-1.1.16: Research Infrastructures for Atmospheric Research. Na tento projekt navázal nástupnický projekt ACTRIS-2 pod H2020-INFRAIA-20142015, realizovaný v období květen/2015–duben/2019. Problematika VOC byla řešena v pracovní skupině Trace gases networking: Volatile organic carbon and nitrogen oxides s cílem zkvalitnit a harmonizovat měření VOC v Evropě. V rámci projektu byly vyvinuty standardní operační postupy a testovány nejlepší měřicí techniky pro zajištění kvality. Laboratoř ČHMÚ se pravidelně účastnila roundrobin testu, kde v oblasti vlastní analýzy VOC výsledky potvrdily, že laboratoř vyhovuje doporučovaným parametrům GC systému a splňuje u většiny látek požadované nejistoty jak ve standardech, tak v reálných vzorcích. Projekt ACTRIS-2 byl v roce 2019 ukončen. Aktivity v oblasti monitoringu a výzkumu VOC pokračují v rámci panevropské výzkumné infrastruktury ACTRIS, která je od roku 2016 součástí evropské cestovní mapy ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures). Průměrné roční koncentrace většiny VOC na stanicích Observatoř Košetice i Praha 4-Libuš vykazují během 25 let monitoringu statisticky významný sestupný trend, který reflektuje pokles emisí VOC jak v ČR, tak v celém středoevropském prostoru (Tab. IV.9.1.1). Trend koncentrací etanu je mnohem výraznější na předměstské stanici Praha 4-Libuš než na pozaďové stanici. Výjimkou je pouze isopren, který je přírodního původu (je emitován listnatými stromy) a na obou stanicích vykazuje vzestupný trend. Obecně lze konstatovat, že koncentrace hlavních VOC byly v 90. letech minulého století na předměstské úrovni cca 1,5–2× vyšší než na pozaďové stanici. V poslední dekádě se rozdíly mezi oběma stanicemi výrazně zmenšují.

Výsledky získané v roce 2020 nijak nevybočují z dlouhodobých trendů (Tab. IV.9.1.1). Roční chod většiny VOC reflektuje emisní úrovně, tedy maximální hodnoty v zimě a minima v létě, pouze u isoprenu je tomu naopak (Obr. IV.9.1.1).

Ze zprávy o měření VOC v rámci EMEP (Solberg et al. 2018) vyplývá, že koncentrace VOC v regionálním měřítku kontinuálně klesají a reflektují tak sestupnou tendenci emisí. Úroveň koncentrací na Observatoři Košetice je srovnatelná s německými, švýcarskými a francouzskými stanicemi. U etanu je česká stanice dlouhodobě charakterizována nižšími ročními průměry. U většiny VOC jsou naměřené hodnoty v zimě obvykle velmi podobné německým stanicím, zatímco v létě jsou u hodnoty na Observatoři Košetice mírně nižší.

Ženevský protokol o redukci emisí VOC a jejich transhraničním přenosu byl přijat v listopadu 1991 a vstoupil v platnost v září 1997 (UN-ECE 1991). Protokol obsahoval tři možnosti redukce VOC:

1. 30% redukce emisí VOC do roku 1999, přičemž jako základ byly použity roky 1984 a 1990;
2. Stejná redukce jako v bodě (1) a zajistit, aby celkové národní emise 1999 nepřesáhly úroveň roku 1988;
3. Kde emise 1988 nepřekračují stanovené limity, mohou státy přijmout jako emisní strop úroveň roku 1999.

V roce 1999 byl přijat Göteborský protokol ke zmírnění acidifikace, eutrofizace a dopadů přízemního ozonu, který vstoupil v platnost 17. 5. 2005 (UN-ECE 1999). Protokol obsahuje emisní stropy pro rok 2010 pro čtyři polutanty včetně VOC. Podle protokolu měly být evropské emise VOC sníženy alespoň o 40 % proti roku 1990. Česká republika podobně jako většina středoevropských zemí (s výjimkou Polska), tento limit splnila – emise VOC v ČR období 1990–2010 poklesly o 51 % (EEA 2013c).

Emise těkavých organických látek

Chemické produkty obsahující NMVOC jsou používány v celé řadě aplikací v domácnostech i průmyslu jako čisticí prostředky, rozpouštědla a odmašťovadla. Mohou být součástí barev, laků, lepidel a farmaceutických přípravků. Uvolňují se při výrobě, skladování a použití ropných produktů. NMVOC vznikají také při nedokonalém spalování.

Největší množství emisí NMVOC vzniklo v roce 2019 (Obr. IV.9.1.2) v sektoru 1A4bi – Domácnosti: Vytápění, ohřev vody, vaření (35,1 %). Podíl dopravy včetně odparů z palivového systému vozidel činil 6,4 %. Významné zdroje emisí NMVOC v ČR se nacházejí v sektoru užití a aplikace organických rozpouštědel (NFR 2D3), který se na znečišťování ovzduší těmito látkami podílel 31,4 %. Do tohoto sektoru spadají činnosti 2D3a – Použití rozpouštědel v domácnostech (5,9 %), 2D3d – Aplikace nátěrových hmot (12,4 %), 2D3e – Odmašťování (3 %), 2D3f – Chemické čištění (0,03 %), 2D3g – Výroba a zpracování chemických produktů (4,9 %), 2D3h – Tiskárenský průmysl (1,7 %) a 2D3i – Ostatní použití rozpouštědel (3,3 %). Část těchto emisí je do ovzduší vnášena řízeně, ale velká část jich uniká do ovzduší ve formě fugitivních emisí, jejichž omezování je obtížné. Dalším významným sektorem produkujícím emise NMVOC je zemědělství s celkovým podílem téměř 15 %.

Celkové emise NMVOC měly v období let 2010–2019 klesající tendenci (Obr. IV.9.1.3), který byl způsoben aplikací produktů s nižším obsahem VOC, např. vodou ředitelných barev nebo práškových plastů. U maloodběratelských balení nátěrových hmot je uplatňována legislativní regulace omezující maximální obsah rozpouštědel v produktech dodávaných na trh. Vlivem neustálé obnovy vozového parku dochází i k průběžnému snižování emisí NMVOC z dopravy.

IV.9.2 Měření početní velikostní distribuce aerosolových částic

Početní velikostní distribuce aerosolových částic je v rámci ČHMÚ měřena v síti ultrajemných částic, jejíž základ tvoří pět stanic: Hradec Králové-Brněnská, Lom, Mladá Boleslav, Plzeň-Slovany a Ústí nad Labem-město. Díky dlouhodobé spolupráci ČHMÚ s Ústavem chemických procesů (ÚCHP AV ČR) jsou k dispozici i data z experimentálního měření početní velikostní distribuce aerosolových částic z Observatoře Košetice. Toto měření je součástí monitorovací sítě evropské výzkumné infrastruktury ACTRIS (Aerosols, Clouds and Trace gases Research InfraStructure Network). Od roku 2016 je tento typ měření podporován i českou částí projektu velké výzkumné infrastruktury ACTRIS-CZ, soustřeďující se právě na košetickou lokalitu. Pro činnosti zahrnující výzkumné aktivity ČHMÚ, dvou ústavů AV ČR a Masarykovy univerzity je používáno souhrnné označení lokality Národní atmosférická observatoř Košetice (NAOK).

V denních spektrech měřených na šesti lokalitách (Hradec Králové-Brněnská, Lom, Mladá Boleslav, NAOK, Plzeň-Slovany a Ústí nad Labem-město) lze rozpoznat rozdíl v počtech částic v různých velikostních kategoriích, jež odrážejí charakter lokalit. Zatímco na mediánovém spektru stanice NAOK v kraji Vysočina (Obr. IV.9.2.4) se spíše projevuje vliv dálkového transportu, na ostatních stanicích lze identifikovat vliv místních zdrojů (např. doprava, průmysl) antropogenního původu. I přes některé odlišnosti lze spektra popsat pomocí společných znaků. Nejvyšší koncentrace počtu částic jsou zpravidla měřeny v pozdních večerních, nočních a brzkých ranních hodinách. Tento úkaz je zřejmě spojen s vývojem výšky mezní vrstvy atmosféry a její stabilitou během nočních hodin. V noci může docházet k akumulaci znečišťujících látek, a tedy i aerosolových částic. Po východu slunce pak lze v některých případech zaznamenat nárůst fotochemických reakcí mezi akumulovanými látkami, jenž může vést ke vzniku sekundárních aerosolů.

Vliv lidské činnosti v podobě zvýšené dopravní aktivity je patrný na všech stanicích kromě NAOK. Stoupající počet částic v ranních a odpoledních hodinách ve všech částech spektra, reflektuje nejen dopravní špičku, ale i narůstající výskyt produktů spalování z průmyslových i lokálních zdrojů vytápění. S těmito zdroji je spojena jak zvýšená produkce částic, tak i jejich plynných prekurzorů, ze kterých mohou fotochemickými procesy vznikat sekundární částice. Nejvýrazněji se projevuje nárůst částic mezi 20 a 100 nm, který dosahuje maxima mezi 4. a 8. hodinou ranní (Obr. IV.9.2.1, IV.9.2.2, IV.9.2.3, IV.9.2.5 a IV.9.2.6). Na stanici Mladá Boleslav byl zaznamenán pozvolný nárůst počtu částic nukleačního módu (velikost částic do 20 nm) od ranních do večerních hodin což může indikovat stálý zdroj těchto částic ať už primárního či sekundárního původu (Obr. IV.9.2.3). Druhotný nárůst částic nukleačního módu byl pozorován na obou stanicích v Ústeckém kraji (Lom a Ústí nad Labem-město) s kulminací ve 12 hodin UTC (Obr. IV.9.2.2 a IV.9.2.6). Tento charakter vývoje počtu částic může být ovlivněn průmyslovými zdroji z chemického průmyslu a topografií místního terénu.

Kromě emisních zdrojů a jiných procesů v atmosféře jsou změny v početní koncentraci ovlivněny i stabilitou atmosféry. Zatímco během dne je atmosféra dobře promíchávána díky turbulentnímu proudění, ve večerních hodinách, kdy turbulence ustává, se atmosféra stabilizuje (Stull 2003).

Mediánové denní spektrum velikosti částic bylo v roce 2020 stejně jako v minulých letech na NAOK oproti ostatním porovnávaným měřením méně výrazné. Pozorujeme poměrně konstantní koncentrace částic akumulačního módu, které se mírně snižují v průběhu dne (mezi 6:00 a 14:00 UTC) vlivem zředění atmosféry. Počty částic nukleačního módu naopak narůstají od ranních hodin a dosahují maxima po 16. hodině. Nárůst počtu částic nukleačního módu je pravděpodobně spojen i s procesem vzniku částic a jejich následným růstem do vyšších velikostí. Právě na NAOK lze dobře pozorovat vliv dálkového transportu částic v podobě poměrně stabilních koncentrací akumulačního módu, vlivu zředění a stability atmosféry na koncentrace částic (Obr. IV.9.2.4).

V roční variabilitě celkového počtu částic jsou hodnoty ze stanic Hradec Králové-Brněnská, Mladá Boleslav, Lom a Plzeň-Slovany velmi podobné. Vyšší hodnoty (v rozmezí 4 499–9 076 částic.cm^–3) byly zaznamenány na stanici Hradec Králové-Brněnská, nejnižší variabilita ze zmíněných stanic byla měřena na stanici Mladá Boleslav (4 105–6 441 částic.cm^–3). Roční chod celkového počtu částic na těchto stanicích byl shodný i se stanicí NAOK (rozmezí hodnot 1 523–3 570 částic.cm^–3). Stanice Ústí nad Labem-město měla během roku několik výpadků měření a tak nelze říci, zda se roční průběh koncentrací shoduje či odlišuje od ostatních stanic. Zatímco všechny stanice měli nevyšší celkové koncentrace měřeny v dubnu, stanice Ústí nad Labem-město zaznamenala maximum v září, a to 13 486 částic.cm^–3 (Obr. IV. 9.2.7).

IV.9.3 Monitorování koncentrací elementárního, organického a černého uhlíku

První pravidelné měření elementárního a organického uhlíku (EC/OC) v ČR bylo zahájeno v únoru 2009 na Observatoři Košetice (OBK). Průměrná koncentrace celkového uhlíku (TC) byla v letech 2009–2020 ve vzorkované frakci PM_2,5 3,3 µg.m^–3, z čehož EC tvoří 0,4 µg.m^–3 a OC 2,9 µg.m^–3. V roce 2020 byla nejvyšší průměrná koncentrace TC (4,5 µg.m^–3) naměřená v listopadu. Měsíc listopad byl na OBK o 0,5 °C chladnější než je průměrná teplota měřená v listopadu od roku 2009 (4,3 °C). V tomto měsíci bylo také zaznamenáno několik epizod s mlhami, jež pokračovaly až do prosince, kdy byla změřena třetí nejvyšší průměrná měsíční koncentrace TC (3,3 µg.m^–3). Méně příznivé meteorologické podmínky v těchto měsících mohly ovlivnit výsledky měření koncentrací uhlíku a to zhoršeným promícháváním vzduchu díky stabilitě atmosféry nebo zvýšením potřeby vytápění a nárůstem množství těchto produktů spalování. V roce 2020 byla průměrná koncentrace TC (2,8 µg.m^–3) stejná jako v roce 2019. Průměrná roční koncentrace EC byla v roce 2020 0,3 µg.m^–3, koncentrace OC dosáhla 2,5 µg.m^–3. Při celkovém pohledu na chod koncentrací v průběhu měření lze identifikovat mírně klesající tendenci přes nárůst průměrných ročních koncentrací v některých letech. Zatímco od začátku měření koncentrace EC (2009 – 0,6 µg.m^–3) pozvolna klesaly, v letech 2012, 2013 a 2018 došlo opět k nárůstu koncentrací. Po obnově měření v roce 2016 se roční průměrné koncentrace pohybovaly mírně nad 0,3 µg.m^–3. Výrazný nárůst byl zaznamenán v roce 2018. Podobný, ale výraznější, chod jsme zaznamenali také u OC. Nejvyšší průměrná hodnota byla naměřena v roce 2013 (3,7 µg.m^–3), naopak nejnižší koncentrace OC (2,0 µg.m^–3) je charakteristická pro rok 2016 (Obr. IV.9.3.1).

Měření koncentrací černého uhlíku (BC) probíhá na třech stanicích, a to na stanici Ústí nad Labem-město, Lom a Národní atmosférická observatoř Košetice (NAOK), kde jádrovou stanici tvoří Observatoř Košetice. Stanice Ústí nad Labem-město a NAOK měří BC od roku 2012, Lom od roku 2017.

Roční variabilita koncentrací BC odráží vyšší množství emisí produkovaných během topné sezony, zvýšené hodnoty jsou měřeny v chladné části roku. Mimo topnou sezonu lze v denních chodech identifikovat maxima pocházející zejména z dopravy. Dalším zdrojem BC v letních měsících je i grilování.

Hodnocení koncentrací BC na všech třech stanicích nelze z hlediska průměrné roční koncentrace provést s dostatečně vypovídající hodnotou, stanice Ústí nad Labem-město byla z porovnání za rok 2020 vyřazena pro značný nedostatek dat (více než 60% výpadek dat). Průměrná roční koncentrace na stanici Lom v roce 2020 byla 1,0 µg.m^–3, kvartilové rozpětí hodnot je obdobné jako v předešlých letech (1. a 3. kvartil dosahoval 0,3 µg.m^–3, resp. 1,3 µg.m^–3). Průměrná roční koncentrace BC na NAOK od roku 2013 poklesla z 0,9 µg.m^–3 na 0,6 µg.m^–3 v roce 2020. Variabilita naměřených hodnot byla nejnižší v roce 2016 (1. a 3. kvartil dosahoval 0,3 µg.m^–3, resp. 0,7 µg.m^–3), v následujícím roce pak variabilita mírně vzrostla, stejně jako průměrná koncentrace. V roce 2020 byl oproti minulému roku zaznamenán mírný pokles koncentrací BC (z ročního průměru 0,7 na 0,6 µg.m^–3). Zmíněný pokles však nemusí nutně znamenat zlepšení kvality ovzduší. V roce 2019 došlo na NAOK k obnově přístroje s vyšší frekvencí měření a vyspělejší technologií měření. Tato změna přístrojové techniky společně s chybějícími daty v roce 2019 mohla způsobit mírné změny ve výsledcích. I přesto, že stanice Lom i NAOK jsou pozaďovými stanicemi, na stanici Lom byly měřeny téměř 2× vyšší průměrné roční koncentrace než na NAOK. Tyto rozdíly mohou být spojeny s odlišnou strukturou zdrojů, ovlivňující koncentrace BC (Obr. IV.9.3.2).

V ČR pocházelo dle výsledků inventarizace emisí v roce 2019 až 47,3% emisí BC z mobilních zdrojů (ČHMÚ 2021d), a to především ze spalování paliv ve vznětových motorech. Z toho se na celkových emisích BC nejvíce podílely sektory: Silniční doprava: Osobní automobily (1A3bi) 17,0 % a Zemědělství, lesnictví, rybolov: Nesilniční vozidla a ostatní stroje (1A4cii) 15,0 %. Ze stacionárních zdrojů vzniklo nejvíce emisí BC v sektoru Domácnosti: Vytápění, ohřev vody, vaření (1A4bi) s podílem 45,1 % na celkových emisích (Obr. IV.9.3.3). Vývoj celkových emisí BC v období 2009–2019 má klesající tendenci, která je způsobena zejména opatřeními v sektoru dopravy (Obr. IV.9.3.4).