Nieuwe inzichten in de vorming van antropogene organische aerosolen wijzen op grotere regionale impact

Vergelijking van oxidatieproducten uit kamer- en omgevingsmetingen.

Menselijke organische aerosolen zijn koolstofhoudende deeltjes die door mensen in de lucht worden uitgestoten en worden geclassificeerd als fijnstof. Ze vormen een aanzienlijke bedreiging voor de gezondheid en dragen jaarlijks bij aan miljoenen sterfgevallen wereldwijd. Vooral in grote steden zorgen onvolledige verbrandingsprocessen van transport, industrie en huishoudens voor uitlaatgassen die schadelijke, ademhalingsbare deeltjes vormen.

In een internationale studie bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek in Genève, hebben onderzoekers onder leiding van PSI nieuwe inzichten gekregen in de vorming van deze organische aerosolen. Hun resultaten tonen aan dat dergelijke verontreinigingen vaak pas na meerdere oxidatiestappen ontstaan. Dit suggereert dat vervuiling door antropogene fijnstof een grotere regionale impact heeft dan eerder werd aangenomen.

Het suggereert ook dat het niet voldoende is om alleen de directe emissies van fabrieken, woningen en voertuigen te verminderen met bijvoorbeeld fijnstoffilters. De precursorgassen waaruit schadelijke organische aerosolen uiteindelijk worden gevormd, moeten ook worden gecontroleerd. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Geoscience.

Mensgemaakte fijnstof vormt zich langzamer

Onderzoekers gingen er eerder vanuit dat organische aerosolen ontstaan door een enkele oxidatiestap. Natuurlijke precursorgassen zoals terpenen en isopreen—hydrocarbons die door planten worden uitgestoten—voegen snel zuurstof toe en vormen zo direct vaste luchtdeeltjes. Echter, de nieuwe studie onthult dat antropogene emissies zich anders gedragen. De precursorgassen—zoals tolueen en benzeen uit auto-uitlaatgassen en de verbranding van organisch materiaal—ondergaan meerdere oxidatiestappen voordat ze vaste deeltjes vormen.

“Deze bevinding daagt de eerdere veronderstelling uit dat verontreinigende stoffen voornamelijk nabij de emissiebronnen ontstaan,” zegt Imad El Haddad, projectleider van de nieuwe studie. “Het laat in plaats daarvan zien dat antropogene aerosolen een langer vormingsproces doormaken, waarbij hun impact regionaal uitbreidt.”

Een unieke simulatiekamer

De nieuwe studie werd uitgevoerd in de CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) simulatiekamer van CERN. Meer dan 70 onderzoekers uit Europa en Noord-Amerika werkten samen om luchtvervuiling in stedelijke gebieden te simuleren en de vorming van organische aerosolen te volgen. De CLOUD-faciliteit is de schoonste atmosferische simulatiekamer ter wereld en stelt onderzoekers in staat om parameters zoals temperatuur en druk met extreme precisie te controleren—de temperatuur tot ongeveer een tiende van een graad. De roestvrijstalen cilinder heeft een capaciteit van ongeveer 26 kubieke meter. Hoogprecisiesensoren zorgen ervoor dat veranderingen binnen de cilinder tot op de seconde kunnen worden waargenomen.

Voor hun experimenten vulden de onderzoekers de kamer met een gasmengsel dat lijkt op stedelijke smog om de transformatie van uitlaatgassen in organische aerosolen te volgen. Het team meet de gesimuleerde stedelijke smog continu en bepaalt de grootteverdeling van de gevormde deeltjes met een techniek die bekendstaat als mobiliteitsanalyse. Ze bepalen ook in real-time de moleculaire identiteit van de condenserende dampen met behulp van massaspectrometrie. Bovendien volgden ze nauwkeurig welke verhoudingen van precursorgassen en hun producten op de wanden van de kamer condenseren. Dit moet worden meegenomen in berekeningen voor de vorming van verontreinigingen.

“Dankzij de nauwkeurige waarnemingen zijn we nu beter in staat om te begrijpen hoe antropogene aerosolen zich vormen en groeien in de lucht,” zegt El Haddad.

Precisere voorspellingen

De conclusie van de studie is dat een aanzienlijk deel van de antropogene organische aerosolen zich niet vormt na de initiële oxidatie, maar pas na aanvullende oxidatiestappen die tussen zes uur en twee dagen kunnen duren. Het onderzoeksteam schat dat deze meerstapsoxidatie verantwoordelijk is voor meer dan 70% van de totale antropogene organische aerosolvervuiling.

Hun resultaten kunnen luchtvervuilingsmodellen verbeteren door nauwkeurigere voorspellingen van fijnstofconcentraties mogelijk te maken, wat leidt tot een beter begrip van regionale effecten. Ze benadrukken ook het belang van het beheersen van niet alleen de directe emissie van fijnstof, bijvoorbeeld door middel van deeltjesfilters, maar ook de emissie van precursorgassen die later vaste deeltjes vormen. Dit zou kunnen helpen om luchtvervuiling effectiever te bestrijden en zo de volksgezondheid te verbeteren.