Kemiskt sett är svart kol en komponent av fina partiklar (PM ≤ 2,5 µm i aerodynamisk diameter). Svart kol är uppbyggt av rent kol i flera bundna former. Det bildas från ofullständig förbränning av fossila bränslen , biobränslen och biomassa och är en av huvudpartikeltyperna i både antropogen [1] och naturlig sot [2] . Svart kol orsakar människors sjuklighet och för tidig död. På grund av dessa konsekvenser för människors hälsa arbetar många länder för att minska sina utsläpp [3] .
Inom klimatologi är svart kol en klimatbidragande faktor till den globala uppvärmningen . Svart kol värmer jorden genom att absorbera solljus och värma upp atmosfären, samt minska albedo vid avsättning på snö och is (direkta effekter) och indirekt vid interaktion med moln, med en total effekt på 1,1 W/m 2 [4] . Svart kol finns kvar i atmosfären under bara några dagar till några veckor, medan andra kraftfulla växthusgaser har längre livscykler, som koldioxid (CO 2 ) som har en atmosfärisk livslängd på över 100 år [5] . IPCC och andra klimatforskare hävdar att minskning av svart kol är ett av de enklaste sätten att bromsa den kortsiktiga globala uppvärmningen [6] [7] .
Termen "svart kol" används också inom markvetenskap och geologi , vilket betyder antingen avsatt atmosfäriskt svart kol eller direkt inkorporerat svart kol från växtbränder [8] [9] . Särskilt i tropikerna bidrar svart kol i jordar avsevärt till fertiliteten eftersom det kan ta upp viktiga växtnäringsämnen [10] .
Faraday erkände att sot består av kol och att det produceras genom ofullständig förbränning av kolhaltiga bränslen [11] . Termen "svart kol" myntades av Tikhomir Novakov, som James Hansen kallade "svart kolforskningens gudfader" på 1970 -talet [12] . Rök eller sot var den första föroreningen som erkändes ha en betydande miljöpåverkan, men en av de sista som studerades av det moderna atmosfäriska forskarsamhället.
Sot är sammansatt av en komplex blandning av organiska föreningar som är svagt absorberande i det synliga området och en mycket absorberande svart komponent, olika kallad "elementärt", "grafit" eller "svart kol". Termen "elementärt kol" har använts i samband med termiska och våtkemiska definitioner, och termen grafitkol antyder närvaron av grafitliknande mikrokristallina strukturer i sotet, vilket bekräftas av Raman-spektroskopi [13] . Termen "svart kol" används för att indikera att denna sotkomponent är primärt ansvarig för absorptionen av synligt ljus [14] [15] . Termen "svart kol" används ibland som en synonym för både elementar- och grafitkomponenterna i sot [16] . Det kan mätas med olika typer av instrument baserat på absorption eller spridning av en ljusstråle, eller härledd från brusmätningar [17] .
De katastrofala effekterna av kolföroreningar på hälsa och dödlighet i början av 1950-talets London ledde till antagandet av British Clean Air Act 1956. Dådet resulterade i en kraftig minskning av sotkoncentrationerna i Storbritannien, följt av liknande nedskärningar i amerikanska städer som Pittsburgh och St. Louis. Dessa minskningar uppnåddes till stor del genom att minska användningen av mjukt kol för uppvärmning av hushåll genom att byta till antingen "rökfritt" kol eller andra bränslen som eldningsolja och naturgas. Den stadiga minskningen av rökföroreningar i industristäder i Europa och USA har lett till en förskjutning av forskningsfokus bort från sotutsläpp och en nästan fullständig ignorering av svart kol som en viktig aerosolkomponent, åtminstone i USA.
Men på 1970-talet ändrade ett antal studier denna bild avsevärt och visade att svart kol, såväl som organiska komponenter i sot, fortfarande är en stor beståndsdel av urbana aerosoler i USA och Europa [18] [19] , vilket ledde till att bättre kontroll över dessa utsläpp. . I mindre utvecklade regioner i världen, där kontrollen av sotutsläppen var begränsad eller obefintlig, fortsatte luftkvaliteten att försämras när befolkningen växte. Det var inte förrän många år senare som det stod klart att utsläppen från dessa regioner är oerhört viktiga när det gäller globala effekter.
De flesta av förändringarna som nämns ovan är relaterade till luftkvaliteten i urbana atmosfärer. De första indikationerna på svart kols roll i ett bredare globalt sammanhang kom från studiet av fenomenet med arktiska dis. Svart kol har identifierats i arktiska haze aerosoler [20] och i arktisk snö [21] .
I det allmänna fallet kan aerosolpartiklar påverka strålningsbalansen, vilket leder till en kylnings- eller uppvärmningseffekt, och storleken och tecknet på temperaturförändringen beror till stor del på aerosolens optiska egenskaper, aerosolens koncentration och den underliggande albedon. yta. En rent spridande aerosol kommer att reflektera den energi som normalt absorberas av jord-atmosfärsystemet tillbaka ut i rymden och resultera i en kylande effekt. Eftersom en absorberande komponent tillsätts aerosolen kan detta leda till uppvärmning av jord-atmosfärsystemet om reflektionsförmågan hos den underliggande ytan är tillräckligt hög.
Tidiga studier av effekten av aerosoler på atmosfärisk strålningstransport i global skala antog en dominans av spridning av aerosoler med en liten absorberande komponent, eftersom detta verkar reflektera naturliga aerosoler väl. Men som diskuterats ovan har urbana aerosoler en stor svart kolkomponent, och om dessa partiklar kan transporteras på global skala, skulle man förvänta sig en uppvärmningseffekt på albedoytor med hög yta som snö eller is. Dessutom, om dessa partiklar avsätts i snön, finns det en ytterligare uppvärmningseffekt på grund av minskningen av ytalbedo.
Svartkolnivåer bestäms oftast baserat på modifiering av de optiska egenskaperna hos ett fiberfilter av avsatta partiklar. Antingen mäts filtertransmittansen eller filterreflektansen eller en kombination av transmittans och reflektans. Etalometrar är vanliga enheter som optiskt upptäcker förändringar i absorptionen av ljus som passerar genom ett filter. USEPA Environmental Technology Verification Program utvärderade både Aetalometer [22] och Sunset Laboratorys termoptiska analysator [23] . Den polygonala absorptionsfotometern tar hänsyn till både transmitterat och reflekterat ljus. Alternativa metoder är baserade på satellit optiska djupmätningar över stora områden eller, på senare tid, brusspektralanalys för mycket lokala koncentrationer [24] .
I slutet av 1970-talet och början av 1980-talet observerades förvånansvärt höga koncentrationer av svart kol på marknivå i hela västra Arktis. Modellstudier har visat att de kan leda till uppvärmning av polarisen. En av de största osäkerheterna vid modellering av effekten av arktiskt dis på solstrålningsbalansen var den begränsade kunskapen om de vertikala fördelningarna av svart kol.
1983 och 1984 erhöll NOAA AGASP-programmet de första mätningarna av sådana fördelningar i den arktiska atmosfären med hjälp av en etalometer som hade förmågan att mäta svart kol i realtid [25] . Dessa mätningar visade betydande koncentrationer av svart kol som finns i hela den västra arktiska troposfären, inklusive Nordpolen. De vertikala profilerna visade antingen en mycket stratifierad struktur eller en nästan likformig fördelning upp till åtta kilometer med intralagerkoncentrationer lika stora som de som finns på marknivå i typiska stadsområden på medellatitud i USA [26] . De optiska absorptionsdjupen förknippade med dessa vertikala profiler var stora, vilket framgår av den vertikala profilen över norska Arktis, där optiska absorptionsdjup på 0,023 till 0,052 beräknades för externa respektive inre blandningar av svart kol med andra aerosolkomponenter.
De optiska djupen för dessa värden resulterar i en betydande förändring i balansen av solstrålning över den mycket reflekterande arktiska snöytan under perioden mars-april när dessa mätningar simulerade arktisk aerosol till ett optiskt absorptionsdjup på 0,021 (vilket är nära till genomsnittet av de interna och externa blandningarna för AGASP-flygningar) under molnfria förhållanden [27] [28] . Dessa termiska effekter ansågs vid den tiden vara potentiellt en av huvudorsakerna till de arktiska uppvärmningstrenderna som beskrivs i Energy Department Archives, Basic Energy Sciences.
Upp till 60 % av allt organiskt kol som lagras i jordar är svart kol [29] . Särskilt i tropiska jordar fungerar svart kol som en reservoar för näringsämnen. Experiment har visat att jordar utan mycket svart kol är betydligt mindre bördiga än jordar som innehåller svart kol. Ett exempel på sådan ökad markfruktbarhet finns i Terra preta- jordarna i centrala Amazonia, som verkar ha skapats av mänskliga förcolumbianska ursprungsbefolkningar. Terra Preta-jordar har i genomsnitt tre gånger halten av organiskt material i jorden (COM), högre näringshalter och bättre kapacitet att hålla kvar näring än de omgivande karga jordarna [30] . I detta sammanhang ökar slash-and-burn-odlingsmetoder som används i tropiska regioner inte bara produktiviteten genom att frigöra näringsämnen från bränd vegetation, utan också tillföra svart kol till jorden. Det skulle dock vara bättre för hållbar förvaltning att använda strejk- och rödingsmetoder för att förhindra höga utsläpp av CO 2 och flyktigt svart kol. Dessutom neutraliseras de positiva effekterna av denna typ av jordbruk om de används för stora tomter, så att jorderosion inte förhindras av vegetation.
Lösligt och kolloidalt svart kol som fångas i landskapet från skogsbränder kan komma in i grundvattnet. På en global skala närmar sig flödet av svart kol till söt- och saltvattenförekomster takten för produktion av svart kol från skogsbränder [31] .
Utvecklade länder var en gång den huvudsakliga källan till koldioxidutsläpp, men detta började förändras på 1950-talet med införandet av föroreningskontrollteknik i dessa länder. Medan USA släpper ut cirka 21 % av världens CO 2 , släpper det ut 6,1 % av världens sot [32] . Europeiska unionen och Förenta staterna skulle kunna minska sina utsläpp av svart kol ytterligare genom att påskynda genomförandet av bestämmelser om svart kol som för närvarande är i kraft 2015 eller 2020 [33] och stödja antagandet av väntande bestämmelser från Internationella sjöfartsorganisationen (IMO) [ 34] . Befintliga bestämmelser skulle också kunna utvidgas för att öka användningen av ren diesel och ren kolteknik och utvecklingen av andra generationens teknik.
Idag kommer de flesta svarta koldioxidutsläppen från utvecklingsländer [3] och denna trend förväntas öka [32] . De största källorna till svart kol är Asien, Latinamerika och Afrika. Kina och Indien står tillsammans för 25-35 % av de globala svarta koldioxidutsläppen. Utsläppen av svart kol från Kina fördubblades från 2000 till 2006. Befintlig och väl beprövad teknik som används av utvecklade länder, såsom ren diesel och rent kol, kan överföras till utvecklingsländer för att minska sina utsläpp [32] .
Utsläppen av svart kol är högst i och runt större källregioner. Detta resulterar i regionala atmosfäriska solvärmezoner på grund av svart kol. Hot spots inkluderar:
Ungefär tre miljarder människor bor i dessa hot spots.
Cirka 20 % av det svarta kolet släpps ut genom förbränning av biobränslen, 40 % genom förbränning av fossila bränslen och 40 % genom öppen förbränning av biomassa. Liknande uppskattningar av källor till svarta kolutsläpp är följande [35] :
Källorna till svart kol varierar beroende på region. Till exempel beror det mesta av sotutsläppen i södra Asien på framställning av biobränslen [37] , medan förbränning av kol för hushålls- och industriändamål spelar en stor roll i Östasien. I Västeuropa förefaller vägtrafiken vara den viktigaste källan, eftersom höga koncentrationer sammanfaller med närhet till större vägar eller deltagande i (motoriserad) trafik [38] .
Fossila bränslen och biobränslesot innehåller betydligt mer svart kol än klimatkylande aerosoler och partiklar, vilket gör minskningen av dessa källor särskilt kraftfulla begränsningsstrategier. Till exempel innehåller utsläpp från dieselmotorer och marina fartyg högre halter av svart kol än andra källor. Regleringen av sotutsläpp från dieselmotorer och marina fartyg utgör således en betydande möjlighet att minska sotets påverkan på den globala uppvärmningen [39] .
Förbränning av biomassa frigör mer klimatkylande aerosoler och partiklar än svart kol, vilket resulterar i kortvarig kylning [40] . Men på lång sikt kan förbränning av biomassa resultera i nettouppvärmning när man beaktar CO 2 -utsläpp och avskogning [41] . Att minska utsläppen av biomassa kommer alltså att minska den globala uppvärmningen på lång sikt och ge bivinster från minskade luftföroreningar, CO 2 -utsläpp och avskogning. Det har uppskattats att genom att gå över till slash-and-burn-jordbruk, som omvandlar biomassa till aska med hjälp av öppen eld som släpper ut svart kol [42] och växthusgaser [43] , kan 12 % av antropogena kolutsläpp orsakade av förändrad markanvändning minskas årligen, vilket är cirka 2 % av alla årliga globala utsläpp i CO 2 -ekvivalenter [44] .
![]() |
---|