Decennia in de maak: De volledige impact van vermindering van luchtvervuiling zien

Iridescent clouds before sunset.

Onderzoekers aan de Georgia Tech hebben de seizoensgebonden verschillen van sulfaat-aerosolen, een belangrijke verontreinigende stof in de Verenigde Staten, geanalyseerd om de langetermijneffecten van de vermindering van zwaveldioxide (SO₂) emissies sinds de invoering van de wijzigingen in de Clean Air Act in 1990 te onderzoeken.

Professor Yuhang Wang van de School of Earth and Atmospheric Sciences en zijn team bestudeerden de factoren die de concentraties van SO₂ en sulfaat beïnvloeden tijdens de winter en de zomer in de “Rust Belt” – van New York door het Middenwesten tot de Zuidoostelijke regio’s van de VS over een periode van twee decennia (2004 tot 2023). Het team ontwikkelde ook een ensemble machine learning aanpak om seizoenspatronen tot 2050 te voorspellen.

“Krachtcentrales, met name die welke kolen en olie verbranden, zijn een belangrijke bron van SO₂-emissies in deze regio’s,” zegt Wang, die samen met Ph.D.-studenten Fanghe Zhao en Shengjun Xi het onderzoek onlangs publiceerde in Environmental Science & Technology Letters.

Seizoensgebonden verschillen in atmosferische chemie

In de VS varieert de chemie in de atmosfeer tussen de seizoenen. In de zomer activeert de zonne-straling van overvloedig zonlicht oxidatiereacties die waterstofperoxide (H₂O₂) in de atmosfeer produceren. De aanvoer van H₂O₂ wordt bepaald door de hoeveelheid uitgestoten luchtvervuiling, en eenmaal in de atmosfeer kan H₂O₂ SO₂ snel oxideren tot sulfaat-aerosolen in de vloeibare fase.

Sulfaat-aerosolen van de oxidatie van SO₂ dragen bij aan de vorming van fijnstof met een diameter van minder dan 2,5 micrometer (PM2.5). Fijnstofsulfaat vormt aanzienlijke milieu- en volksgezondheidsrisico’s, waaronder luchtvervuiling, zure regen en circulatoire en ademhalingsproblemen.

“De aanvoer van H₂O₂ in de zomer is acht keer groter dan in de winter – een enorm verschil – wat betekent dat sulfaatconcentraties over het algemeen hoger zijn in de zomer en een vermindering van SO₂-emissies leidt tot een evenredige afname van sulfaatconcentraties,” legt Wang uit. “Wanneer SO₂-emissies de beschikbare aanvoer van H₂O₂ in de winter overschrijden, kan de vermindering van sulfaatconcentraties veel kleiner zijn door een ‘chemische demping’ die ervoor zorgt dat sulfaatniveaus langzamer dalen dan SO₂-emissies.”

Vermindering van de verschillen tussen seizoensgebonden sulfaatniveaus

De observaties van het onderzoek over twee decennia onthulden duidelijke patronen in de vermindering van SO₂-emissies en sulfaatconcentraties tijdens de winter en de zomer. Terwijl de SO₂-emissies in beide seizoenen in de loop van de tijd aanzienlijk zijn afgenomen – voornamelijk door de Clean Air Act en meer krachtcentrales die van kolen naar aardgas zijn overgestapt – vertoonde de afname van sulfaatconcentraties aanvankelijk grote seizoensverschillen. Echter, in het afgelopen decennium is het verschil tussen winter- en zomerse sulfaatniveaus verkleind naarmate de SO₂-emissies afnamen.

Volgens Wang werd de seizoensgebonden ongelijkheid van sulfaat veroorzaakt door veranderende chemische regimes in de winter in de loop van de tijd. Hoewel de lagere aanvoer van H₂O₂ in de winter stabiel bleef, waren de SO₂-emissies in de winter van 2004 tot 2013 hoger, waarna ze na 2013 onder het niveau van H₂O₂ daalden – wat resulteerde in een gelijke stand met de verminderde SO₂-emissies in de zomer.

“Wanneer je deze complexiteit van atmosferische chemie hebt, is er een niet-lineair effect in de winter – naarmate de SO₂-emissies afnamen, nam de productie-efficiëntie van sulfaat-aerosolen toe tot 2013, en daarna vlakte deze af tot vandaag. De vermindering van sulfaat-aerosolen liep aanvankelijk achter op de afname van SO₂-emissies, maar haalde uiteindelijk in als gevolg van blijvende inspanningen voor luchtkwaliteitscontrole,” zegt Wang. “Omgekeerd is er een eenvoudig, lineair effect in de zomer – hoe meer SO₂-emissies, hoe meer sulfaat-aerosolen in de atmosfeer – en als je er één vermindert, wordt de andere in dezelfde verhouding verminderd.”

Decennia lange volledige impact

Van nu tot 2050 geven de machine learning-projecties van de onderzoekers aan dat de winter- en zomerse sulfaatniveaus, die momenteel ongeveer 20% bedragen, blijven afnemen, nu de SO₂-emissieregels vergelijkbare effectiviteit bereiken in de seizoenen.

“We zien nu de volledige impact van de Clean Air Act,” concludeert Wang, “en de voortdurende inspanning van het land om vervuiling te verminderen is essentieel voor het verbeteren van de luchtkwaliteit en de gezondheidsuitkomsten.”