ما هي أكاسيد النيتروجين (NOx) وأول أكسيد الكربون (CO) والجسيمات الدقيقة، ولماذا تضر بنا؟

كل دخان عادم في المدينة هو عبور صامت لثلاثة أعداء سامّة تهاجم رئتينا وأوردتنا في آنٍ واحد.
كل دخان عادم في المدينة هو عبور صامت لثلاثة أعداء سامّة تهاجم رئتينا وأوردتنا في آنٍ واحد.

شارك هذه الصفحة

أكاسيد النيتروجين (NOx) وأول أكسيد الكربون (CO) والمواد الجسيمية هي المجموعات الثلاث الرئيسية للغازات والمواد الملوثة المنبعثة من عوادم المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي: أكاسيد النيتروجين تنشأ عن تفاعل الأكسجين مع النيتروجين الموجود في الهواء عند درجات حرارة الاحتراق المرتفعة، وأول أكسيد الكربون هو ناتج الاحتراق الناقص في ظل نقص الأكسجين، أما المواد الجسيمية فتتكون من جزيئات السخام الدقيقة التي تظهر بشكل خاص في المحركات الديزل. وتضر الثلاثة جميعها بالجهازين التنفسي والدوري، ولذلك فهي في مرمى معايير الانبعاثات.

أبرز النقاط

  • NOx هو تعريف عام يشمل غازي أكسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO2)، ولا ينبغي الخلط بينه وبين أكسيد النيتروز (N2O) وهو غاز دفيئة.
  • قطاع النقل مسؤول عن حوالي 45% من جرد انبعاثات NOx في بعض الدول.
  • نظام SCR قادر على خفض NOx بنسبة تصل إلى 90% باستخدام AdBlue المعتمد على اليوريا.
  • وضع معيار Euro 6 حداً أيضاً على عدد الجسيمات في المحركات الديزل وبنزين الحقن المباشر.
  • الجسيمات الدقيقة مثل PM2.5 تحمل أعلى خطر صحي لأنها قادرة على اختراق أعماق الرئتين والجهاز الدوري.

ما هو NOx وكيف يُنتجه المحرك؟

NOx هو الاسم الجامع لأكاسيد النيتروجين. أكثر مكوناته شيوعاً هما أكسيد النيتروجين (NO، ذرة نيتروجين وذرة أكسجين) وثاني أكسيد النيتروجين (NO2، ذرة نيتروجين وذرتا أكسجين). يمكن أن يتحول NO في الغلاف الجوي عبر التفاعلات إلى NO2؛ وتُستخدم NO2 كمؤشر لمجموعة NOx بأكملها في تقارير جودة الهواء. وأصحح هنا خلطاً شائعاً: أكسيد النيتروز (N2O) وهو غاز دفيئة يؤثر على المناخ، هو ملوث مختلف عن NOx.

آلية التكوين مسألة كيميائية بسيطة. درجة الحرارة داخل أسطوانة المحرك كافية لتدخل جزيئات النيتروجين (N2) والأكسجين (O2) الموجودة في الهواء في تفاعل مع بعضها. وهذا ليس هدفاً مرغوباً من الاحتراق، بل منتجاً جانبياً حتمياً لدرجات الحرارة المرتفعة. كلما ارتفعت درجة الحرارة والضغط، زاد إنتاج NOx.

ولهذا تبرز المحركات الديزل. تعمل المحركات الديزل بهواء إضافي، أي باحتراق "نقيّ" (lean) غني بالأكسجين؛ وقيم الأكسجين لكل وحدة وقود ودرجة حرارة وضغط الأسطوانة تجعل إنتاج NOx لديها أكثر وفرة وقوة مقارنة بالمحرك البنزيني. لذلك كان مركز تحكم NOx دائماً في الجانب الديزل؛ كما يتم تنظيم انبعاثات NOx الناشئة عن المركبات منذ الستينيات.

أول أكسيد الكربون: غاز سام عديم الرائحة واللون

أول أكسيد الكربون غاز سام لا رائحة له ولا لون، يتكون نتيجة عدم اكتمال احتراق الكربون. والفسيولوجيا وراء خطورته واضحة: عندما يدخل CO إلى الدم يعطل نقل الأكسجين. والنتيجة إرهاق وصداع ودوار وتشتت انتباه ناجمة عن وصول أكسجين غير كافٍ إلى الدماغ. ومن الأعراض الأولى الصداع والنعاس والغثيان؛ أما التعرض الشديد فيؤدي إلى القيء وفقدان الوعي. ولأنه عديم الرائحة، قد يصل إلى مستوى قاتل دون أن يُلاحظ التعرض الخطير له.

جدول التعرض طويل الأمد ليس أمرا يمكن الاستهانة به أيضا؛ فالتعرض المزمن لأول أكسيد الكربون يرتبط في أغلب الأحياء بنقص في الذاكرة والانتباه والتركيز وباضطرابات حركية من نوع باركنسون. ومن المعروف أيضا أن التعرض المنتظم لغازات العادم يمهد لمشكلات تنفسية مثل التهاب الشعب الهوائية والربو وسرطان الرئة.

الخبر الجيد من الناحية التقنية هو أن أول أكسيد الكربون مادة ملوثة يمكن تحويلها إلى ثاني أكسيد الكربون غير السام في المحول الحفزي. ويبقى الخطر في الغازات التي لا تصل إلى المحول؛ فإذا كان هناك تسرب في خط العادم، قد يتسرب أول أكسيد الكربون إلى الخارج دون معالجة. لذلك فإن سلامة خط العادم ليست مسألة ضجيج فحسب، بل هي مسألة سلامة.

لماذا المواد الجسيمية خطيرة بقدر PM2.5؟

المواد الجسيمية هي خليج من الجسيمات الصلبة والسائلة الدقيقة في الهواء؛ وهي ما نسميه في اللغة اليومية "السناج" أو "الأسود". ويتعلق حجم الخطر مباشرة بحجم الجسيم. فجسيمات PM2.5 التي يقل قطرها عن 2.5 ميكرون تخترق بفضل صغر حجمها أعماق الجهاز التنفسي والدورة الدموية. أما الجسيمات فائقة الدقة التي تشكل من 80 إلى 95 في المئة من تلوث سناج الديزل، فهي صغيرة بما يكفي لتدخل إلى خلايا الرئة.

تعتبر المواد الجسيمية المحرك الرئيسي للآثار الصحية السلبية المرتبطة بالتعرض لعادم الديزل. والآثار التي تعددها السلطات الصحية هي:

  • الوفاة المبكرة لدى الأشخاص المصابين بأمراض القلب أو الرئة
  • النوبات القلبية غير المميتة وعدم انتظام ضربات القلب
  • نوبات الربو والتهاب الجهاز التنفسي وصعوبة التنفس
  • مع زيادة التعرض قصير الأمد، ارتفاع خطر الوفاة الحادة لدى المصابين بأمراض القلب والأوعية الدموية أو اضطرابات تنفسية قائمة

التأثير لا يقتصر على الصحة فحسب. فتلوث الجسيمات يقلل من الرؤية، ويؤثر سلبا على المناخ والنظم البيئية، ويسبب تدهور المواد. أي أن السناج الخارج من العادم يمثل مشكلة بيئية هندسية بقدر ما يمثل مشكلة تنفسية.

الهيدروكربونات غير المحترقة (HC): من أين تأتي؟

هناك ملوث آخر لا يظهر اسمه بقدر ظهور NOx في جدول العادم لكنه موجود في الجدول ذاته: الهيدروكربونات غير المحترقة. ومصادرها مألوفة. فغازات التهرب من علبة المرافق التي تتسرب وتعود إلى غرفة الاحتراق، وخليط الوقود والهواء المحتجز في فراغات مجاري حلقات المكبس، والوقود السائل في مجمع السحب، وطبقة الزيت على جدار الأسطوانة هي أهم هذه المصادر. وفي التشغيل تحت الأحمال العالية تعتبر فراغات مجاري حلقات المكبس المصدر الرئيسي لانبعاثات الهيدروكربونات.

وهناك مصدر يبقى خارج غرفة الاحتراق أيضا: تبخر الوقود. فإلى انبعاثات العادم تضاف الخسائر الناتجة عن تبخر الوقود من الخزان والخطوط. فعلى سبيل المثال، خلطات الإيثانول منخفضة النسبة تسبب تبخر البنزين بسهولة أكبر، مما قد يزيد انبعاثات التبخر. أما الاحتراق غير الكامل أو نقص الأكسجين أو ظروف الاحتراق السيئة فهي عوامل من جهة الاحتراق تزيد الهيدروكربونات بشكل مباشر.

أي معيار انبعاثات يستهدف أي غاز ولماذا؟

معايير الانبعاثات الأوروبية هي مجموعة قواعد تحدد الحد الأقصى من الملوثات التي يمكن أن تنتجها السيارة بشكل قانوني؛ وقد تم تقديمها في عام 1992 مع إلزامية المحول الحفاز. المنطق بسيط: بما أن آلية ضرر كل ملوث مختلف، يتم وضع حد منفصل لكل منها. ولأن أول أكسيد الكربون يستهدف نقل الأكسجين، وثاني أكسيد النيتروجين يستهدف المجاري التنفسية، والجسيمات الدقيقة تستهدف القلب والرئتين، تقيس المعايير الثلاثة كلًا منها على حدة.

الملوثسبب التكوّنالتأثير الرئيسي
NOx (NO/NO2)تفاعل النيتروجين والأكسجين عند درجات حرارة مرتفعةتهيج المجاري التنفسية، الربو، الضباب الدخاني والأمطار الحمضية
COاحتراق غير كامل بسبب نقص الأكسجينالتسمم عبر تعطيل نقل الأكسجين
PM (السخام)احتراق غير كامل خاصة في محركات الديزلأمراض الرئة والقلب
HCتسربات الوقود والزيت غير المحترقالمساهمة في تكوّن الضباب الدخاني، السموم الهوائية

يُظهر تاريخ المعايير أيضًا منطق التمييز: منذ مرحلة Euro 2، تحدد أوروبا حدودًا مختلفة للمركبات العاملة بالديزل وتلك العاملة بالبنزين. المحركات الديزلية تخضع لحدود أكثر صرامة لأول أكسيد الكربون لكن يُسمح لها بأكسيد نيتروجين أعلى؛ بينما كانت المركبات العاملة بالبنزين معفاة من معيار الجسيمات حتى Euro 4. Euro 6، في سبتمبر 2014 دخل حيز التنفيذ فشدّد بشكل كبير حدود NOx وPM للمركبات الديزلية، وألزم محركات الديزل ومحركات البنزين ذات الحقن المباشر (GDI) على حد سواء بحد يقيّد عدد الجسيمات الدقيقة وليس الكتلة فقط. وفي جانب الديزل، استلزم هذا الإلزام التبني الواسع لفلتر الجسيمات الديزلية (DPF).

أما الفرق بين المختبر والطريق الحقيقي فقد جلس في صدارة النقاش بعد فضيحة Dieselgate. ومنذ سبتمبر 2017، خضعت المركبات لاختبارات RDE التي تجري القياس في ظروف القيادة الحقيقية. والنتيجة قابلة للقياس: في الفترة التي تغطيها قواعد Euro، انخفضت انبعاثات NOx من عام 2001 إلى عام 2017 بنسبة %84 كما فرضت الحدود الصارمة انتشار أنظمة SCR في المحركات الديزلية.

كيف تُنظّف هذه الغازات قبل خروجها من العادم؟

Egzozdan çıkan zehirli gazlar, motorun içinde verilen bilinçli mühendislik kararlarıyla daha silindirdeyken temizlenir.

تصمّم سلسلة المعالجة اللاحقة للعادم الحديثة حلاً منفصلًا لكل ملوث. نظام SCR (الاختزال الحفزي الانتقائي) يحقن سائل عادم الديزل القائم على اليوريا - المعروف شعبيًا باسم AdBlue - في تدفق العادم؛ وفي المحفز يُختزل أكسيد النيتروجين إلى نيتروجين وماء غير ضارين. يمكن أن يصل خفض NOx إلى %90 وفي العملية نفسها ينخفض HC وCO بنسبة %50-90، وPM بنسبة %30-50. أما DPF فيحبس دخان السخام فيزيائيًا؛ ولمزيج DPF + SCR + DEF يحجز السخام ويخفض NOx معًا، بينما يقوم SDPF الذي يجمع وظيفة SCR مع الفلتر بنفس العمل في وحدة واحدة. وهناك أيضًا إجراء داخل الأسطوانة: نظام EGR (إعادة تدوير غازات العادم) يعيد جزءًا من غازات العادم إلى الأسطوانة فيقلل كمية الأكسجين ودرجة حرارة الاحتراق؛ وبما أن الحرارة تنخفض، يقل تكوّن NOx.

بفضل ذلك، تغيّر ملف انبعاثات السيارات الجديدة بشكل واضح. ورغم أن الطرازات الجديدة تنتج كمية من ثاني أكسيد الكربون أكبر قليلاً، فإنها تقلل إنتاج أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين بشكل كبير مقارنة بالأجيال السابقة. ومن الناحية الهندسية، هذا مقبول من حيث التوازن: فالتأثير المناخي والتأثير الملوِّث مقياسان مختلفان، وقبل عام 2015 كان تعريف "المركبة منخفضة الانبعاثات" يركز على ثاني أكسيد الكربون المنخفض فقط؛ وبعد فضيحة ديزل جيت أصبحت الملوثات مثل أكاسيد النيتروجين في مقدمة النقاش.

ما خلفية النقاش حول أكاسيد النيتروجين في أوروبا؟

في عام 2015، تبيّن أن شركة فولكسواجن تلاعبت بأنظمة التحكم في الانبعاثات في سياراتها الديزل بهدف اجتياز اختبارات المختبرات؛ إذ كانت السيارات على الطريق الحقيقي تنتج ما يصل إلى 40 ضعفاً من أكاسيد النيتروجين مقارنة بالمعلن. ولم يبق هذا الحدث الوحيد مشكلة لشركة مصنّعة واحدة: ففي السنوات اللاحقة ظهرت أدلة على أن جميع شركات الديزل في أوروبا تقريباً استخدمت استراتيجيات قانونية أو على الأرجح غير قانونية للنزول تحت حدود الاختبارات. كما أن عدم انعكاس اختبارات المختبرات للقيادة الواقعية يفسر استمرار النقاش بوصفه مشكلة في موثوقية المعايير.

الأرقام على صعيد الصحة تظهر جدية النقاش. فقد حُسب أن الانبعاثات المفرطة لسيارات فولكسواجن المباعة في ألمانيا من المرجح أن تؤدي إلى نحو 1,200 وفاة مبكرة؛ وارتبطت انبعاثات أكاسيد النيتروجين المفرطة من محركات الديزل في عام 2015 بنحو 38,000 وفاة مبكرة على مستوى العالم، ومعظم هذا العبء يقع في أوروبا. وفي أوروبا، يموت كل عام نحو 10,000 شخص وفاة مبكرة بسبب انبعاثات السيارات الديزل التي تتجاوز الحدود القانونية؛ وقد قُدر أن التعرض لثاني أكسيد النيتروجين في المدن ساهم في عام 2012 في ما يقدر بنحو 75,000 وفاة مبكرة في القارة الأوروبية. ويُقدَّر أن التكلفة الصحية لتلوث الهواء الناجم عن المركبات على الطرق في الاتحاد الأوروبي تبلغ سنوياً 67-80 مليار يورو.

تشير الدراسات المتعلقة بالتعرض طويل الأمد لثاني أكسيد النيتروجين إلى وجود ارتباطات مع الوفيات لجميع الأسباب، والوفيات التنفسية والقلبية الوعائية، وأعراض الجهاز التنفسي ووظائف الرئة لدى الأطفال.
اللجنة البريطانية للتأثيرات الطبية لتلوث الهواء (COMEAP)

المسار ليس في اتجاه واحد فقط. فبين عامي 2005 و2023، انخفضت الوفيات المنسوبة إلى الجزيئات الدقيقة PM2.5 في الاتحاد الأوروبي بنسبة 57% وتم تحقيق هدف التخفيض البالغ 55% في عام 2023. أي أنه عندما تعمل التنظيمات والتكنولوجيا والرقابة معاً، يصبح التحسّن القابل للقياس ممكناً. كما تختلف الآراء حول أين يجب البحث عن الحل: بينما يركز أحد النهجين على تقنيات التحكم في الانبعاثات وتطبيق المعايير، يرى رأي آخر أن أسرع طريق لتقليل أكاسيد النيتروجين يمر عبر انتقال أكثر المستخدمين استهلاكاً للوقود إلى السيارات الكهربائية.

الأسئلة الشائعة حول أكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون والجزيئات

لماذا الجزيئات PM2.5 أكثر خطورة من PM10؟

الجواب مخفي في الحجم. بفضل أقطارها التي تقل عن 2,5 ميكرون، تستطيع جزيئات PM2.5 اختراق أعماق الجهاز التنفسي والدوري؛ أما الجزيئات الأكبر مثل PM10 فلا تصل إلى هذا العمق. كلما زاد عمق الاختراق ارتفع التأثير على مستوى الخلايا وخطر انتقالها إلى الجهاز القلبي الوعائي.

أيهما ينتج أكواسيد النيتروجين NOx أكثر: الديزل أم البنزين؟

الديزل. تعمل محركات الديزل عند درجات حرارة وضغوط أعلى وباحتراق غني بالأكسجين، لذلك تنتج كميات أكبر من أكاسيد النيتروجين NOx. هذا هو أيضاً سبب حاجة التحكم في NOx لمحركات الديزل إلى أنظمة إضافية مثل SCR وEGR.

ما هي أعراض التسمم بأول أكسيد الكربون CO؟

الأعراض الأولى هي الصداع والدوخة والنعاس والغثيان؛ وفي الحالات المتقدمة يظهر القيء وفقدان الوعي. ولأن أول أكسيد الكربون عديم الرائحة واللون، فلا يُلاحظ التعرض له إلا عند ظهور الأعراض.

هل يمكن أن يكون الهواء داخل السيارة أكثر تلوثاً فعلاً؟

نعم، في الزحام المروري قد يكون الهواء المتنفس داخل السيارة أسوأ مما يتنفسه شخص يمشي على نفس الطريق؛ إذ يمكن لغازات العادم أن تدخل مباشرة إلى المقصورة. وهذا مؤشر عملي على أهمية إعدادات إغلاق النوافذ وتدوير الهواء.

وباختصار: لكل ملوث يخرج من العادم آلية تكوّن ومسار ضرر وحل مصمم لمواجهته. أكاسيد النيتروجين NOx هي بصمة الحرارة العالية، وأول أكسيد الكربون CO بصمة الاحتراق الناقص، والجسيمات PM بصمة السخام، والهيدروكربونات HC بصمة الوقود غير المحترق؛ ولأن المعايير تقيس هذه الأربعة كل منها على حدة، يصبح فهم سبب وجود كل تقنية أسهل.

المصادر