NOx، CO و ذرات معلق چیست و چرا به ما آسیب می‌رسانند؟

NOx، CO و ذرات معلق، سه گروه اصلی گازها و مواد آلاینده‌ای هستند که از اگزوز خودروهای با موتور احتراق داخلی خارج می‌شوند: اکسیدهای نیتروژن در دماهای احتراق بالا از واکنش اکسیژن با نیتروژن هوا پدید می‌آیند، مونوکسید کربن محصول احتراق ناقص در شرایط کمبود اکسیژن است و ذرات معلق از ذرات ریز دوده تشکیل می‌شوند که به‌ویژه در موتورهای دیزل دیده می‌شوند. هر سه به دستگاه تنفس و گردش خون آسیب می‌رسانند و به همین دلیل در تیررس استانداردهای انتشار آلایندگی قرار دارند.

NOx چیست و موتور چگونه آن را تولید می‌کند؟

NOx نام جمعی برای اکسیدهای نیتروژن است. دو رایج‌ترین جزء آن، اکسید نیتروژن (NO، یک اتم نیتروژن و یک اتم اکسیژن) و نیتروژن دی‌اکسید است (NO2، یک اتم نیتروژن و دو اتم اکسیژن). NO در جوّ می‌تواند طی واکنش‌ها به NO2 تبدیل شود؛ در گزارش‌های کیفیت هوا از NO2 به‌عنوان شاخص کل گروه NOx استفاده می‌شود. یک اشتباه رایج را همین‌جا اصلاح کنم: اکسید نیتروژن برون‌رفتی (N2O) که گاز گلخانه‌ای است و بر اقلیم اثر می‌گذارد، آلاینده‌ای متفاوت از NOx است.

مکانیسم شکل‌گیری آن مسئله‌ای ساده در شیمی است. دمای درون سیلندر موتور برای واکنش‌پذیری مولکول‌های نیتروژن (N2) و اکسیژن (O2) هوا با یکدیگر کافی است. این پدیده هدف مطلوب احتراق نیست، بلکه محصول جانبی اجتناب‌ناپذیر دمای بالاست. هرچه دما و فشار بالاتر باشد، NOx بیشتری تولید می‌شود.

به همین دلیل موتورهای دیزل برجسته می‌شوند. دیزل‌ها با هوای اضافی، یعنی احتراق «فقر مخلوط» غنی از اکسیژن کار می‌کنند؛ مقادیر اکسیژن به ازای واحد سوخت و دما-فشار سیلندر، تولید NOx را نسبت به موتور بنزینی بیشتر و شدیدتر می‌کند. به همین دلیل کانون کنترل NOx همواره در سمت دیزل بوده است و انتشار NOx ناشی از خودروها نیز از دهه 1960 تنظیم می‌شود.

مونوکسید کربن: بی‌بو، بی‌رنگ و سمی

مونوکسید کربن گازی سمی است که از سوختن ناقص کربن پدید می‌آید و بویی و رنگی ندارد. فیزیولوژی پشت خطر آن روشن است: هنگامی که CO وارد خون می‌شود، انتقال اکسیژن را مختل می‌کند. نتیجه آن، خستگی، سردرد، سرگیجه و پراکندگی حواس ناشی از نرسیدن اکسیژن کافی به مغز است. از نخستین علائم می‌توان به سردرد، خواب‌آلودگی و تهوع اشاره کرد؛ مواجهه شدید تا استفراغ و از دست دادن هوشیاری پیش می‌رود. چون بی‌بو است، مواجهه جدی می‌تواند بدون آنکه متوجه شود به سطح مرگبار برسد.

جدول قرارگیری طولانی‌مدت هم موضوعی نیست که بتوان آن را دست‌کم گرفت؛ قرارگیری مزمن در معرض CO اغلب با نقص حافظه، توجه و تمرکز و نیز اختلالات حرکتی پارکینسونی مرتبط دانسته می‌شود. همچنین معلوم است که قرارگیری منظم در معرض گازهای اگزوز، زمینه‌ساز مشکلات تنفسی مانند برونشیت، آسم و سرطان ریه است.

از نظر فنی خبر خوب این است: CO آلاینده‌ای است که می‌توان آن را در کاتالیزور به دی‌اکسیدکربن بی‌خطر تبدیل کرد. خطر در گازی باقی می‌ماند که به کاتالیزور نرسد؛ اگر در مسیر اگزوز نشتی وجود داشته باشد، CO می‌تواند بدون تصفیه به بیرون نشت کند. به همین دلیل سلامت و یکپارچگی مسیر اگزوز فقط یک مسئله صوتی نیست، بلکه یک مسئله ایمنی است.

چرا ذرات معلق به اندازه PM2.5 خطرناک هستند؟

ذرات معلق، مخلوطی از ذرات ریز جامد و مایع موجود در هوا هستند؛ همان چیزی که در زبان روزمره به آن «دوده» می‌گوییم. میزان خطر مستقیماً به اندازه ذره بستگی دارد. ذرات PM2.5 با قطر کمتر از 2.5 میکرون به لطف اندازه کوچکشان تا اعماق سیستم تنفسی و گردش خون نفوذ می‌کنند. ذرات فوق‌ریز که 80 تا 95 درصد آلودگی دوده دیزل را تشکیل می‌دهند، آن‌قدر کوچک‌اند که می‌توانند وارد سلول‌های ریه شوند.

PM عامل اصلی اثرات منفی سلامتی مرتبط با قرارگیری در معرض اگزوز دیزل شناخته می‌شود. اثراتی که مقامات بهداشتی برشمرده‌اند عبارت‌اند از:

• مرگ زودرس در افراد مبتلا به بیماری قلبی یا ریوی
• حمله‌های قلبی غیرکشنده و نامنظمی ضربان قلب
• تشدید آسم، التهاب تنفسی و دشواری در تنفس
• در افزایش قرارگیری کوتاه‌مدت، بالا رفتن خطر مرگ حاد در افراد مبتلا به بیماری قلبی-عروقی یا اختلالات تنفسی موجود

اثر آن فقط به سلامتی محدود نمی‌شود. آلودگی ذرات معلق دید را کاهش می‌دهد، بر اقلیم و اکوسیستم‌ها اثر منفی می‌گذارد و به تخریب مواد منجر می‌شود. یعنی دوده‌ای که از اگزوز خارج می‌شود، هم‌زمان یک مسئله تنفسی و یک مسئله مهندسی محیط‌زیست است.

هیدروکربن‌های نسوخته (HC): از کجا می‌آیند؟

در جدول اگزوز آلاینده دیگری نیز وجود دارد که به اندازه NOx نامش تکرار نمی‌شود اما در همان جدول جای دارد: هیدروکربن‌های نسوخته. منابعشان آشنا به نظر می‌رسد. گازهای blow-by که از پوسته میل‌لنگ نشت کرده و به محفظه احتراق بازمی‌گردند، مخلوط سوخت و هوا محبوس در فضای شیارهای رینگ، سوخت مایع در منیفولد ورودی و لایه روغن روی جدار سیلندر از مهم‌ترین آن‌ها هستند. در کارکرد با بار بالا، فضاهای شیار رینگ منبع اصلی انتشار HC هستند.

منبعی هم هست که خارج از محفظه احتراق باقی می‌ماند: تبخیر سوخت. به انتشار گازهای خروجی از اگزوز، باید اتلاف‌های ناشی از تبخیر سوخت از مخزن و لوله‌ها را هم افزود. برای مثال، مخلوط‌های اتانول با نسبت پایین باعث تبخیر آسان‌تر بنزین شده و می‌توانند انتشار ناشی از تبخیر را افزایش دهند. احتراق ناقص، کمبود اکسیژن یا شرایط بد احتراق از عوامل سمت احتراق هستند که HC را مستقیماً افزایش می‌دهند.

هر استاندارد انتشار چرا و کدام گاز را هدف قرار می‌دهد؟

استانداردهای یورو مجموعه‌ای از قوانین است که حداکثر میزان آلایندگی که یک وسیله نقلیه به‌طور قانونی می‌تواند تولید کند را تعیین می‌کند؛ در سال 1992 همراه با الزام کاتالیزور معرفی شد. منطق آن ساده است: از آنجا که سازوکار آسیب هر آلاینده متفاوت است، برای هر کدام حد جداگانه‌ای تعیین می‌شود. از آنجا که CO انتقال اکسیژن، NO2 راه‌های هوایی و PM قلب و ریه‌ها را هدف می‌گیرد، استانداردها هر سه را جداگانه اندازه‌گیری می‌کنند.

تاریخچه استانداردها نیز منطق تفکیک را نشان می‌دهد: از مرحله Euro 2 به بعد، اروپا برای خودروهای دیزلی و بنزینی حدود متفاوتی تعیین کرده است. خودروهای دیزلی تابع محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تر CO هستند اما مجاز به NOx بالاترند؛ خودروهای بنزینی نیز تا Euro 4 از استاندارد ذرات معلق معاف بودند. Euro 6 در سپتامبر 2014 اجرا شد و محدودیت‌های NOx و PM خودروهای دیزلی را به‌طور چشمگیری سخت‌گیرانه‌تر کرد و هم در موتورهای دیزلی و هم در موتورهای بنزینی با تزریق مستقیم (GDI) الزامی را به وجود آورد که به‌جای جرم، تعداد ذرات ریز را نیز محدود کند. در سمت دیزل، این الزام مستلزم پذیرش گسترده فیلتر ذرات دیزل (DPF) بود.

تفاوت بین آزمایشگاه و جاده واقعی پس از دیزل‌گیت در مرکز بحث قرار گرفت. از سپتامبر 2017 به بعد، خودروها در معرض آزمون‌های RDE قرار گرفتند که اندازه‌گیری را در شرایط رانندگی واقعی انجام می‌دهد. نتیجه قابل اندازه‌گیری است: در دوره پوشش قوانین یورو، انتشار NOx از سال 2001 تا 2017 84% کاهش یافت. محدودیت‌های سخت‌گیرانه همچنین گسترش سیستم‌های SCR در خودروهای دیزلی را الزامی کرد.

این گازها چگونه قبل از خروج از اگزوز پاک می‌شوند؟

زنجیره تصفیه پس از اگزوز مدرن، برای هر آلاینده راه‌حل جداگانه‌ای طراحی می‌کند. SCR (کاهش کاتالیستی انتخابی)، مایع اگزوز دیزل بر پایه اوره - با نام رایج AdBlue - را به جریان اگزوز تزریق می‌کند؛ در کاتالیزور، NOx به نیتروژن بی‌خطر و آب کاهش می‌یابد. کاهش NOx می‌تواند به 90% برسد; در همین فرایند HC و CO بین 50 تا 90 درصد و PM بین 30 تا 50 درصد کاهش می‌یابد. اما DPF ذرات دوده را به‌طور فیزیکی به دام می‌اندازد؛ ترکیب DPF + SCR + DEF هم دوده را نگه می‌دارد و هم NOx را کاهش می‌دهد، در حالی که SDPF که عملکرد SCR را با فیلتر یکپارچه کرده، همان کار را در یک واحد واحد انجام می‌دهد. داخل سیلندر نیز تدبیری اندیشیده شده است: EGR (بازچرخانی گازهای اگزوز) با بازگرداندن بخشی از گاز اگزوز به سیلندر، میزان اکسیژن و دمای احتراق را کاهش می‌دهد؛ و چون دما پایین می‌آید، NOx تولیدشده کمتر می‌شود.

به لطف این موضوع، پروفایل انتشار خودروهای جدید به طور محسوسی تغییر کرده است. اگرچه مدل‌های جدید کمی CO2 بیشتری تولید می‌کنند، اما تولید CO و NOx را نسبت به نسل‌های قبلی به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. از منظر مهندسی، این یک مصالحه قابل قبول است: اثر اقلیمی و اثر آلاینده مقیاس‌های متفاوتی هستند و پیش از سال 2015، تعریف «خودروی کم‌انتشار» صرفاً بر CO2 پایین متمرکز بود؛ پس از دیزل‌گیت، آلاینده‌هایی مانند NOx به صدر توجه آمدند.

پیشینه بحث NOx در اروپا چیست؟

در سال 2015 مشخص شد که فولکس‌واگن سیستم‌های کنترل انتشار خودروهای دیزلی خود را به گونه‌ای دستکاری کرده که آزمون‌های آزمایشگاهی را با موفقیت پشت سر بگذارند؛ خودروها در جاده واقعی تا 40 برابر اکسید نیتروژن بیشتری تولید می‌کردند. این یک رویداد منفرد به مشکل یک خودروساز محدود نماند: در سال‌های بعد، شواهدی ظاهر شد که تقریباً همه خودروسازان دیزلی اروپا از راهبردهای قانونی یا احتمالاً غیرقانونی برای پایین آمدن از حد مجاز آزمون‌ها استفاده کرده‌اند. این که آزمون‌های آزمایشگاهی واقعیت رانندگی را بازتاب نمی‌دهند، ماندگاری این بحث را به عنوان مشکل اعتبار استانداردها نیز توضیح می‌دهد.

ارقام مربوط به جنبه سلامت، جدی بودن این بحث را نشان می‌دهند. محاسبه شده است که انتشار بیش از حد خودروهای فولکس‌واگن فروخته‌شده در آلمان احتمالاً به حدود 1.200 مرگ زودرس منجر خواهد شد؛ انتشار بیش از حد NOx دیزلی در سال 2015 در سراسر جهان به حدود 38.000 مرگ زودرس نسبت داده شده و بخش عمده این بار بر دوش اروپا است. در اروپا هر سال حدود 10.000 نفر به دلیل انتشار خودروهای دیزلی که از حد مجاز قانونی فراتر می‌رود، زودرس می‌میرند؛ تخمین زده شده که قرار گرفتن در معرض NO2 در شهرها در سال 2012 به طور تقریبی به 75.000 مرگ زودرس در قاره اروپا کمک کرده است. برآورد می‌شود هزینه سلامتی آلودگی هوای ناشی از وسایل نقلیه جاده‌ای در اتحادیه اروپا سالانه 67 تا 80 میلیارد یورو باشد.

مطالعات مربوط به قرارگیری طولانی‌مدت در معرض NO2، ارتباط‌هایی میان مرگ‌ومیر ناشی از همه علل، مرگ‌ومیر تنفسی و قلبی‌عروقی، و نیز علائم تنفسی و عملکرد ریه در کودکان گزارش کرده‌اند.

روند نمودار یک‌طرفه نیست. میان سال‌های 2005 تا 2023، مرگ‌های منتسب به PM2.5 در اتحادیه اروپا 57 درصد کاهش یافت و در سال 2023 هدف کاهش 55 درصدی محقق شد. یعنی وقتی مقررات‌گذاری، فناوری و نظارت با هم کار می‌کنند، بهبود قابل اندازه‌گیری ممکن است. دیدگاه‌ها درباره اینکه راه‌حل را کجا باید جستجو کرد نیز از هم می‌گسلند: یک رویکرد بر فناوری‌های کنترل انتشار و اعمال استانداردها تمرکز می‌کند، در حالی که دیدگاهی دیگر معتقد است سریع‌ترین کاهش NOx از طریق متصل کردن کاربران خودروهای پرمصرف به خودروهای برقی حاصل می‌شود.

پرسش‌های متداول درباره NOx، CO و ذرات معلق

چرا PM2.5 خطرناک‌تر از PM10 است؟

پاسخ در اندازه نهفته است. ذرات PM2.5 به لطف قطر زیر 2.5 میکرون می‌توانند به اعماق دستگاه تنفسی و گردش خون نفوذ کنند؛ ذرات درشت‌تر مانند PM10 به این عمق نمی‌رسند. هرچه عمق نفوذ بیشتر باشد، اثر در سطح سلولی و خطر انتقال به دستگاه قلبی-عروقی افزایش می‌یابد.

دیزل بیشتر NOx تولید می‌کند یا بنزینی؟

دیزل. موتورهای دیزلی چون با دما و فشار بالاتر و احتراق غنی از اکسیژن کار می‌کنند، حجم بیشتری NOx تولید می‌کنند. این در همان حال پاسخ این است که چرا کنترل NOx دیزل به سیستم‌های تکمیلی مانند SCR و EGR نیاز دارد.

علائم مسمومیت با CO چیست؟

علائم اولیه عبارتند از سردرد، سرگیجه، خواب‌آلودگی و تهوع؛ در مراحل پیشرفته‌تر استفراغ و از دست دادن هوشیاری دیده می‌شود. از آنجا که CO بی‌بو و بی‌رنگ است، مواجهه تا زمان بروز علائم unnoticed نمی‌ماند... یعنی متوجه نمی‌شود.

آیا هوای داخل خودرو واقعاً می‌تواند آلوده‌تر باشد؟

بله، در ترافیک سنگین، هوای تنفس‌شده داخل خودرو می‌تواند از هوایی که عابر پیاده در همان خیابان تنفس می‌کند بدتر باشد؛ گازهای اگزوز می‌توانند مستقیماً وارد کابین شوند. این نشانه عملی اهمیت تنظیم پنجره بسته و گردش هواست.

خلاصه اینکه: هر آلاینده‌ای که از اگزوز خارج می‌شود، سازوکار پیدایش، مسیر آسیب و راه‌حلی که برای مقابله با آن طراحی شده، دارد. NOx امضای دمای بالا، CO امضای احتراق ناقص، PM امضای دوده و HC امضای سوخت نسوخته است؛ از آنجا که استانداردها این چهار مورد را جداگانه اندازه‌گیری می‌کنند، درک اینکه هر فناوری چرا وجود دارد نیز آسان‌تر می‌شود.

منابع

• Vehicle NOx emissions: The basics
• Nitrogen Oxides (NOx)
• Basic Information about NO2 | US EPA
• What is nitrogen oxide and how do cars create it?
• Nitrogen Oxides | ToxFAQs™ | ATSDR
• Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM)
• Carbon Monoxide & Health | California Air Resources Board
• Border Agents Exposure to Carbon Monoxide (CO)
• Inhalable Particulate Matter and Health (PM2.5 and PM10)
• A systematic review of the health effects associated with diesel exhaust
• European emission standards
• Facts About SCR
• Impact of excess NOx emissions from diesel cars on air quality
• VW's excess emissions and premature deaths
• New study quantifies impact of NOx emissions from diesel vehicles
• Air pollution | European Environment Agency
• Unburned hydrocarbon emission mechanisms in small engines
• In-car air pollution