पर्यावरणीय प्रदूषण और नियंत्रण I: वायु प्रदूषण — स्रोत और प्रकार, निकष प्रदूषक, परिवेशी वायु और चिमनी उत्सर्जन का प्रतिचयन और निगरानी, राष्ट्रीय परिवेशी वायु गुणवत्ता मानक, स्वास्थ्य, पौधों और सामग्रियों पर प्रभाव, अम्ल वर्षा, और परिक्षेपण: मिश्रण ऊँचाई, ह्रास दरें और गाउसी प्लूम, रेखा तथा क्षेत्र स्रोत मॉडल

वायु प्रदूषकों के प्राकृतिक स्रोतों में ज्वालामुखी उद्गार (सल्फ़र डाइऑक्साइड और राख), धूल भरी आँधियाँ, वनाग्नि, समुद्री फुहार, पराग और बीजाणु, और वनस्पति द्वारा उत्सर्जित वाष्पशील कार्बनिक यौगिक शामिल हैं। मानवजनित स्रोत स्थिर बिंदु स्रोतों (विद्युत केंद्र, प्रगालक, सीमेंट भट्ठे और शोधनशालाएँ), क्षेत्र स्रोतों (घरेलू चूल्हों, ईंट भट्ठों और कचरे तथा फ़सल अवशेषों के खुले दहन जैसे छोटे स्रोतों के समूह) और गतिशील स्रोतों (सड़क वाहन, जहाज़, विमान और रेलगाड़ियाँ) में वर्गीकृत हैं। उत्तर भारत में धान की पराली का मानसून-पश्चात दहन प्रादेशिक कणिकीय प्रदूषण में बड़ा मौसमी योगदान जोड़ता है। प्राथमिक प्रदूषक सीधे उत्सर्जित होते हैं, जैसे सल्फ़र डाइऑक्साइड, नाइट्रिक ऑक्साइड, कार्बन मोनोऑक्साइड, कालिख और धूल; द्वितीयक प्रदूषक वायुमंडल में बनते हैं, जैसे ओज़ोन, पेरॉक्सीऐसिटिल नाइट्रेट, सल्फ़्यूरिक और नाइट्रिक अम्ल और द्वितीयक सल्फ़ेट, नाइट्रेट तथा कार्बनिक कण।

निकष वायु प्रदूषक वे हैं जो सामान्य हैं, अनेक स्रोतों से आते हैं और स्वास्थ्य तथा कल्याण को हानि पहुँचाते हैं, जिससे उनके लिए स्वास्थ्य मानदंडों के आधार पर परिवेशी मानक तय किए जाते हैं। यह पद अमेरिकी स्वच्छ वायु अधिनियम से आता है, जो छह नाम देता है: कार्बन मोनोऑक्साइड, सीसा, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड, ओज़ोन, कणिकीय पदार्थ (PM₁₀ और PM₂.₅) और सल्फ़र डाइऑक्साइड। भारत के राष्ट्रीय परिवेशी वायु गुणवत्ता मानक, जिन्हें केंद्रीय प्रदूषण नियंत्रण बोर्ड ने नवंबर 2009 में अधिसूचित किया, बारह को आच्छादित करते हैं: सल्फ़र डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड, PM₁₀, PM₂.₅, ओज़ोन, सीसा, कार्बन मोनोऑक्साइड, अमोनिया, बेंज़ीन, बेंज़ो(a)पाइरीन, आर्सेनिक और निकल।

प्रतिचयन की अवधि, आवृत्ति और काल मानकों के औसत समयों से मेल खाने चाहिए। राष्ट्रीय वायु गुणवत्ता निगरानी कार्यक्रम के अंतर्गत हस्तचालित केंद्र 24 घंटे प्रतिचयन करते हैं, गैसों का 4-घंटे और कणिकीय पदार्थ का 8-घंटे की अवधियों में, सप्ताह में दो बार, जिससे प्रति वर्ष 104 मापन होते हैं; वार्षिक मानक एकसमान अंतरालों पर लिए गए कम से कम 104 ऐसे मापनों का समांतर माध्य है, और 24-घंटे का मानक 98% समय पूरा होना चाहिए, अतः यह 2% से अधिक दिनों पर और लगातार दो दिनों पर पार नहीं हो सकता। सतत परिवेशी वायु गुणवत्ता निगरानी केंद्र वास्तविक समय में सूचना देते हैं। स्थल भूमि उपयोग, आवासीय, औद्योगिक, वाणिज्यिक और संवेदनशील, के अनुसार चुने जाते हैं, प्रवेशिका लगभग 3 से 10 मी की ऊँचाई पर, अवरोधों और प्रत्यक्ष स्थानीय स्रोतों से दूर, और पवन आरेख का प्रयोग करके रखी जाती है।

चिमनी उत्सर्जन किसी मोड़ या अवरोध से कई चिमनी-व्यास अनुप्रवाह में स्थित प्रतिचयन छिद्र पर मापे जाते हैं, जहाँ प्रवाह एकसमान होता है। गैस वेग पिटो नली से, तापमान तापयुग्म से और नमी संघनन से मापी जाती है। कणिकीय पदार्थ का प्रतिचयन समगतिक रूप से होना चाहिए: प्रतिचयन नोज़ल में प्रवेश करती गैस का वेग उस बिंदु पर चिमनी गैस वेग के बराबर होना चाहिए। यदि प्रतिचयन चिमनी गैस से तेज़ हो (अति-समगतिक), तो धारारेखाएँ नोज़ल में अभिसरित होती हैं पर भारी कण उनका अनुसरण नहीं कर पाते, अतः बड़े कण कम प्रतिचयित होते हैं और सांद्रता कम आँकी जाती है; यदि धीमा हो (अल्प-समगतिक), तो बड़े कण अधिक प्रतिचयित होते हैं। ऑर्सैट उपकरण धूम्र गैस में कार्बन डाइऑक्साइड, ऑक्सीजन और कार्बन मोनोऑक्साइड का क्रमिक अवशोषण से विश्लेषण करता है, और भारत में सबसे प्रदूषणकारी औद्योगिक श्रेणियों से सतत उत्सर्जन निगरानी तंत्र अपेक्षित हैं, जो प्रदूषण नियंत्रण बोर्डों को ऑनलाइन सूचना देते हैं।

बारह में से केवल कार्बन मोनोऑक्साइड mg/m³ में निर्दिष्ट है; बेंज़ो(a)पाइरीन, आर्सेनिक और निकल ng/m³ में और शेष µg/m³ में हैं। 2014 में आरंभ राष्ट्रीय वायु गुणवत्ता सूचकांक अधिकतम आठ प्रदूषकों (PM₁₀, PM₂.₅, NO₂, SO₂, CO, O₃, NH₃ और Pb) की सांद्रताओं को उप-सूचकांकों में बदलता है, और समग्र सूचकांक उच्चतम उप-सूचकांक है, जिसे उत्तरदायी प्रदूषक के साथ बताया जाता है। इसकी छह श्रेणियाँ हैं: अच्छा (0 से 50), संतोषजनक (51 से 100), मध्यम प्रदूषित (101 से 200), ख़राब (201 से 300), बहुत ख़राब (301 से 400) और गंभीर (401 से 500), हर एक अपने स्वास्थ्य संदेश के साथ; दिल्ली और राष्ट्रीय राजधानी क्षेत्र में श्रेणीबद्ध अनुक्रिया कार्य योजना सूचकांक बिगड़ने पर आपातकालीन उपाय आरंभ करती है।

सूक्ष्म कणिकीय पदार्थ सबसे हानिकारक सामान्य वायु प्रदूषक है: PM₂.₅ कूपिकाओं तक प्रवेश करता है और अतिसूक्ष्म कण रक्तप्रवाह में जा सकते हैं, जिससे श्वसन और हृदवाहिका रोग, आघात और फेफड़े का कैंसर होता है, और यह विश्व में अकाल मृत्यु का प्रमुख पर्यावरणीय जोखिम कारक है। सल्फ़र डाइऑक्साइड श्वसन मार्ग को संकुचित करती और दमा बढ़ाती है; नाइट्रोजन डाइऑक्साइड फेफड़ों में सूजन लाती और संक्रमण के प्रति संवेदनशीलता बढ़ाती है; ओज़ोन फेफड़ों की क्रिया घटाती है; कार्बन मोनोऑक्साइड कार्बॉक्सीहीमोग्लोबिन बनाती है; और सीसा तंत्रिका तंत्र को, विशेषकर बच्चों में, हानि पहुँचाता है। वृद्ध, बच्चे और हृदय तथा फेफड़े के रोगी सबसे असुरक्षित हैं।

अम्ल वर्षा, अधिक सटीक रूप से अम्ल निक्षेपण, लगभग 5.6 से कम pH वाला वर्षण है, अम्लीय गैसों और कणों के शुष्क निक्षेपण सहित, जो सल्फ़र डाइऑक्साइड और नाइट्रोजन ऑक्साइडों से होता है जो सल्फ़्यूरिक और नाइट्रिक अम्लों में ऑक्सीकृत होते हैं, प्रायः अपने स्रोतों से सैकड़ों किलोमीटर दूर। यह कम बफ़र वाले ग्रेनाइटी भूभाग पर झीलों और धाराओं को अम्लीय करता है, जैसे स्कैंडिनेविया और उत्तर-पूर्वी उत्तर अमेरिका में, जहाँ मृदाओं से संचलित ऐलुमिनियम मछलियों के गलफड़ों को क्षति पहुँचाता है; यह वन मृदाओं से कैल्शियम और मैग्नीशियम निक्षालित करता है और मध्य यूरोप में वन-ह्रास में योगदान दिया; और यह भवनों तथा स्मारकों पर आक्रमण करता है, चूना पत्थर और संगमरमर को घोलता हुआ। जहाँ आधार-शैल और मृदाओं में कार्बोनेट होता है, वे अम्ल को बफ़र करते हैं। समस्या की सीमापार प्रकृति ने दीर्घ-दूरी सीमापार वायु प्रदूषण अभिसमय (1979) को जन्म दिया। भारत में वर्षा बड़े पैमाने पर क्षारीय धूल से बफ़रित है, पर बड़े उत्सर्जन स्रोतों के निकट अम्लीय वर्षा दर्ज हुई है, और ताजमहल की वायु प्रदूषण से रक्षा ने सर्वोच्च न्यायालय को ताज ट्रेपेज़ियम क्षेत्र बनाने हेतु प्रेरित किया।

कोई प्रदूषक कितना तनु होता है यह पवन पर, जो प्लूम को ले जाती और फैलाती है, और वायुमंडलीय स्थिरता पर, जो ऊर्ध्वाधर मिश्रण को नियंत्रित करती है, निर्भर है। मिश्रण ऊँचाई (मिश्रण गहराई) वह ऊँचाई है जिस तक प्रदूषक संवहन और विक्षोभ से मिश्रित होते हैं; इसका आकलन दिन के अधिकतम सतह तापमान से शुष्क रुद्धोष्म रेखा को ऊपर तब तक खींचकर होता है जब तक वह सुबह की तापमान रूपरेखा से न मिले, अतः यह धूपदार दोपहरों में गहरी और रात में तथा शीत में उथली होती है। संवातन गुणांक, मिश्रण ऊँचाई गुणा मिश्रित परत में माध्य पवन गति, प्रदूषकों को परिक्षेपित करने की वायु की क्षमता मापता है: 400 मी मिश्रण ऊँचाई और 2 m/s पवन के साथ यह 800 m²/s है, जो सिंधु-गंगा मैदान पर शीत की रातों का विशिष्ट ख़राब मान है, जबकि लगभग 6,000 m²/s से ऊपर के मान अच्छे परिक्षेपण के सूचक हैं।

गाउसी प्लूम मॉडल एक सतत बिंदु स्रोत को ऐसे प्लूम में फैलता मानता है जिसकी सांद्रता अनुप्रस्थ-पवन (y) और ऊर्ध्वाधर (z) दिशाओं में केंद्ररेखा से प्रसामान्य (गाउसी) वितरण के रूप में घटती है। पवन गति u में प्रभावी ऊँचाई H (भौतिक चिमनी ऊँचाई तथा उत्प्लावकता और संवेग से प्लूम उत्थान) वाले उत्सर्जन दर Q (g/s) के स्रोत हेतु, भूमि से परावर्तन सहित, प्लूम केंद्ररेखा पर भूमि-स्तरीय सांद्रता C = [Q ÷ (π u σy σz)] exp(−H² ÷ 2σz²) है। परिक्षेपण गुणांक σy और σz अनुवात दूरी के साथ बढ़ते हैं और स्थिरता वर्गों A (अत्यंत अस्थिर) से F (मध्यम स्थिर) हेतु पैस्क्विल-गिफ़र्ड वक्रों से पढ़े जाते हैं। Q = 100 g/s, u = 5 m/s, σy = 100 m, σz = 50 m और H = 50 m के साथ C = [100 ÷ (π × 5 × 100 × 50)] × exp(−2500 ÷ 5000) = 1.273 × 10⁻³ × 0.607 ≈ 7.7 × 10⁻⁴ g/m³, लगभग 772 µg/m³। सांद्रता पवन गति के व्युत्क्रमानुपाती है, इसीलिए शांत परिस्थितियाँ सबसे ख़तरनाक हैं, और ऊँची प्रभावी चिमनी चरघातांकी पद के माध्यम से भूमि-स्तरीय सांद्रताएँ घटाती है।

व्यस्त राजमार्ग को रेखा स्रोत के रूप में लेना बेहतर है। q (g/s प्रति मीटर) प्रबलता वाले अनंत लंबे रेखा स्रोत हेतु, जब पवन उसके लंबवत बहे, अनुवात भूमि-स्तरीय सांद्रता C = [2q ÷ (√(2π) σz u)] exp(−H² ÷ 2σz²) है, जो बिंदु स्रोत की तुलना में दूरी के साथ धीमे घटती है क्योंकि अनुप्रस्थ-पवन प्रसार नहीं होता। असंख्य छोटे स्रोतों से उत्सर्जन वाला नगर क्षेत्र स्रोत के रूप में लिया जाता है, सबसे सरल रूप से बॉक्स मॉडल से: यदि पवन के साथ L लंबाई वाले नगर पर प्रति इकाई क्षेत्र उत्सर्जन q (g/m²/s) हो, और वे मिश्रण ऊँचाई Hm में एकसमान मिश्रित हों, तो स्थिर सांद्रता C = qL ÷ (u Hm) है, जो सीधे दिखाता है कि निम्न मिश्रण ऊँचाई और मंद पवनें नगरीय प्रदूषण प्रकरण क्यों लाती हैं।