De lucht in de Verenigde Staten is veel schoner dan zelfs tien jaar geleden. Maar die verbeteringen zijn vooral in de zomer gekomen, het seizoen dat vroeger het affiche was voor nevelhoudende deeltjes die astma veroorzaken, longkanker en andere ziekten.

Een nieuwe studie onder leiding van de Universiteit van Washington laat zien waarom de luchtvervuiling in de winter hoog is gebleven, ondanks de algehele lagere niveaus van schadelijke uitstoot van energiecentrales en voertuigen gedurende het hele jaar.

"In de afgelopen 10 jaar of zo, de luchtverontreinigingsniveaus in de zomer zijn snel gedaald, terwijl de luchtverontreinigingsniveaus in de winter dat niet hebben gedaan. De luchtkwaliteit in de zomer is nu bijna hetzelfde als in de winter in het oosten van de VS, " zei corresponderende auteur Viral Shah, die het werk deed als onderdeel van zijn UW-doctoraat in atmosferische wetenschappen. "We hebben de chemische processen in kaart gebracht die het seizoensverschil in reactie op emissiereducties verklaren."

De studie, gepubliceerd in de week van 23 juli in de Proceedings van de National Academy of Sciences , laat zien dat de deeltjes in de winter verschillende wegen volgen.

De resultaten zijn afkomstig van het analyseren van waarnemingen die zijn verzameld tijdens het Wintertime Investigation of Transport 2015, Emissies en reactiviteit (WINTER) campagne. Tijdens die door UW geleide inspanning, onderzoekers brachten zes weken in de winter door met het vliegen door vervuilingspluimen boven New York City, Baltimore, Cincinnati, Columbus, Pittsburgh, Washington, gelijkstroom, en langs de kolengestookte elektriciteitscentrales van de Ohio River Valley.

De studie werd gefinancierd door de National Science Foundation, met steun in natura van NASA en de National Oceanic and Atmospheric Administration.

Deeltjes die smog vormen zijn er in verschillende smaken. Twee belangrijke zijn sulfaten, van zwaveldioxide dat voornamelijk wordt uitgestoten door kolengestookte elektriciteitscentrales, en nitraten, gemaakt van stikstofoxiden die gezamenlijk bekend staan ​​als NOx. Luchtkwaliteitsvoorschriften hebben het zwaveldioxide in de VS tussen 2007 en 2015 met 68 procent verlaagd en NOx met ongeveer een derde in die tijd.

Zomerse niveaus van fijnstof - wanneer de twee smaken van oxiden samenklonteren tot waterige pakketten van nitraten en sulfaten die prachtige zonsondergangen creëren maar de menselijke gezondheid schaden - zijn in die tijd in het oosten van de VS met ongeveer een derde gedaald. Maar de winterconcentraties van fijnstof zijn maar de helft afgenomen, om onduidelijke redenen.

"De luchtkwaliteitsmodellen die we gebruiken om de oorsprong van luchtvervuiling te begrijpen, presteren behoorlijk goed in de zomer, maar heb wat problemen in de winter. Voorafgaand aan deze studie, we konden de waargenomen deeltjessamenstelling in de winter niet reproduceren, " zei Lyatt Jaeglé, die tweede auteur was op het papier en co-hoofdonderzoeker van de veldcampagne. "We hebben nu een beter hulpmiddel om te kijken wat de beste strategie is om de luchtkwaliteit in de winter op regionale schaal in het oosten van de VS te verbeteren, en mogelijk andere plaatsen, zoals Europa en Azië."

In de zomer, een deel van de uitgestoten NOx en zwaveldioxide blijft in de gasfase en wordt gezapt door zonlicht of afgezet op het land, en de rest vormt deeltjes in de vorm van nitraten en sulfaten. Naarmate de primaire ingrediënten afnemen, net als de niveaus van fijnstof.

Maar de nieuwe analyse laat zien dat de chemie van winterlucht een complexer pad volgt. Met minder zonlicht en koudere temperaturen, meer van de chemie gebeurt in de vloeibare fase, op het oppervlak van bestaande deeltjes of vloeistof- en ijswolken. In die fase, als de primaire ingrediënten vallen, de efficiëntie van het omzetten van zwaveldioxide in sulfaat stijgt, omdat er meer oxidanten beschikbaar zijn. En als sulfaat naar beneden gaat, de deeltjes worden minder zuur, waardoor NOx gemakkelijker wordt omgezet in nitraten.

Dus, hoewel de regelgeving voor de luchtkwaliteit beide soorten primaire emissies heeft verminderd, de totale hoeveelheid fijnstof die schadelijk is voor de menselijke gezondheid is langzamer gedaald.

"Het is niet dat de verlagingen niet werken. Het is gewoon dat de verlagingen een annulerend effect hebben, en het opheffende effect heeft een vaste sterkte, " zei Sjah, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Harvard University. "We moeten verdere verlagingen doorvoeren. Zodra de verlagingen groter worden dan het annulerende effect, dan zal de winter zich meer als zomer gaan gedragen."

De studie voorspelt dat tenzij de emissiereducties de huidige prognoses overtreffen, De luchtkwaliteit in de winter zal slechts geleidelijk blijven verbeteren tot ten minste 2023. In dit tempo zou het enkele jaren duren voordat de emissies een niveau bereiken waarop de vervuiling in de winter sneller begint af te nemen.

"Dit artikel laat zien dat het begrijpen van de onderliggende atmosferische chemie die primaire verontreinigende stoffen omzet in fijne deeltjes, van cruciaal belang is voor het kalibreren van onze verwachtingen over wat emissiereducties zullen bereiken, en dus over hoe toekomstige emissiereducties kunnen worden geoptimaliseerd om de 'grootste waar voor je geld' te blijven krijgen in termen van vermindering van fijnstofconcentraties, " zei derde auteur Joel Thornton, die de hoofdonderzoeker van de veldcampagne was.

De bevindingen suggereren dat meer emissiereducties, van zowel zwavel- als stikstofoxiden, zal nodig zijn om de luchtkwaliteit in de winter in het oosten van de VS en andere koude klimaten te verbeteren.

"Dit onderzoek helpt verklaren waarom emissiecontroles om luchtvervuilende stoffen te verminderen, zoals sulfaat en nitraat, zijn in de winter in het oosten van de VS niet zo succesvol geweest als verwacht, " zei Sylvia Edgerton, programmadirecteur bij de NSF-afdeling Atmospheric and Geospace Sciences, die het onderzoek financierde. "De WINTER-veldcampagne leverde een unieke reeks winterwaarnemingen op. Ze tonen aan dat chemische terugkoppelingen tijdens de wintermaanden de verwachte vermindering van luchtvervuiling door verminderde emissies tegengaan."