Luchtkwaliteitsgegevens van megasteden kunnen leiden tot aanzienlijke onnauwkeurigheden in Amerikaanse stedelijke centra

Onderzoek onthult belangrijke verschillen in luchtkwaliteit tussen Chinese megasteden en Amerikaanse stedelijke centra

Onderzoekers aan de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH) hebben een paper gepubliceerd in Communications Earth & Environment waarin ze aantonen dat het gebruik van gegevens over atmosferische deeltjes uit Chinese megasteden om de luchtkwaliteit in Amerikaanse steden te karakteriseren, leidt tot aanzienlijke onnauwkeurigheden.

Dr. Lee Tiszenkel, afgestudeerde van UAH en verbonden aan het UAH Earth System Science Center, en Dr. Shanhu Lee, professor in de afdeling Atmosferische en Aardwetenschappen, vonden dat de sleutel tot het begrijpen van de kritieke verschillen tussen steden voortkwam uit gedegen veldonderzoek in Houston, Texas. “Een groot deel van ons begrip van de vorming van deeltjes komt uit studies die zijn uitgevoerd in Chinese megasteden, dus voorspellingen en modellen van luchtkwaliteit in de stedelijke Verenigde Staten zullen niet nauwkeurig zijn,” zegt Tiszenkel.

Volgens Tiszenkel tonen de onderzoeken aan dat ultrafijne deeltjes bijna volledig te herleiden zijn tot menselijke activiteiten zoals verkeer, koken, industrie of verwarming in China. “In de Verenigde Staten betekent de aanwezigheid van groene ruimtes in en rond stedelijke gebieden dat emissies van bomen en andere opkomende luchtverontreinigers door menselijke activiteiten deeltjes vormen via een andere mechanismen dan in stedelijk China. De oorzaken van stedelijke luchtvervuiling kunnen niet worden gegeneraliseerd en hangen sterk af van de specifieke mix van menselijke en natuurlijke emissies.”

Het onderzoek toont aan dat de vorming van nieuwe deeltjes in Houston zelfs kan variëren van seizoen tot seizoen. De focus ligt op atmosferische ultrafijne deeltjes met een grootte van minder dan 100 nanometer, waarbij 1 nanometer gelijk is aan één miljardste van een meter. Dergelijke kleine deeltjes kunnen negatieve gezondheidseffecten hebben, omdat ze gemakkelijker in de longen kunnen doordringen dan grotere deeltjes.

“Het is al enkele decennia bekend dat deeltjes van minder dan 100 nm diep in de longen doordringen,” merkt Tiszenkel op. “Evenzo is het al sinds de jaren ’80 of ’90 bekend dat deze ultrafijne deeltjes zich vormen via gas-naar-deeltje conversie in sterk vervuilde gebieden. De technologie voor de detectie van deeltjes en chemische samenstelling loopt echter recentelijk achter op deze kennis.”

De studie werd mogelijk gemaakt door een speciaal instrument dat onlangs is verworven door het Earth System Science Center van UAH. Het apparaat, met de tongbrekende naam Filter Inlet for Gases and Aerosols High-Resolution Time-of-Flight Chemical Ionization Mass Spectrometer, heeft UAH als standplaats.

De wetenschap naar de straat brengen

Volgens Tiszenkel hebben Chinese megasteden veel beton, hogere bevolkingsdichtheden en soepelere voertuigemissienormen, wat resulteert in een atmosferische chemie die sterk gericht is op antropogene verbindingen. “In Houston vonden we meer invloed van omliggende landbouw en landelijke gebieden die gedomineerd worden door biogene emissies zoals monoterpenen, die extreem lage vluchtigheid kunnen vertonen na oxidatie.”

Monoterpenen zijn vluchtige organische verbindingen (VOCs) die worden uitgestoten door planten en andere bronnen, zoals schoonmaakproducten en deodorants, en kunnen de luchtkwaliteit en de menselijke gezondheid beïnvloeden. Ze zijn een belangrijk onderdeel van biogene VOC’s en spelen een significante rol in de atmosferische chemie, waarbij ze ozon en secundaire organische aerosolvorming beïnvloeden, wat op zijn beurt de luchtkwaliteit beïnvloedt.

Tiszenkel legt uit dat zijn eerdere onderzoeken voornamelijk in het laboratorium plaatsvonden, waar ze de omgeving die ze willen observeren zeer precies konden beheersen. “De resultaten van die experimenten zijn uiterst nuttig voor het maken van conclusies over zeer specifieke chemische mechanismen, maar door de beperkingen van onze experimentele opstelling zijn ze moeilijk te generaliseren naar de echte atmosfeer. Het vermogen om al onze instrumentatie naar natuurlijke omgevingen te brengen, koppelt wetenschappelijke theorie aan experimentele observaties in de echte wereld.”

Het vermogen om vers gevormde clusters, bijvoorbeeld deeltjes van minder dan 3 nanometer in diameter, te detecteren, is een relatief recente innovatie. Tiszenkel meldt dat instrumenten die deze deeltjes kunnen detecteren, pas in de afgelopen 10 tot 15 jaar zijn ontwikkeld. “Bovendien is de massaspectrometrie-technologie die het meten van de chemische samenstelling van aerosolen en organische voorlopers mogelijk maakt, een recentere innovatie,” voegt hij eraan toe. “In stedelijke gebieden met significante antropogene en biogene emissies zijn deze studies essentieel om de luchtkwaliteit in de stad te begrijpen en te verbeteren.”

De studie is voortgekomen uit Tiszenkels doctoraatswerk met Lee als zijn begeleider. “Ik kwam naar UAH met een achtergrond in de atmosferische chemie, en ik wist dat atmosferische aerosolen de grootste onbekenden vertegenwoordigden in ons begrip van de chemische samenstelling en klimatologische effecten van de atmosfeer van de aarde,” zegt Tiszenkel. “Het was gemakkelijk om dat te onderzoeken in Dr. Lee’s laboratorium bij UAH, waar we een van de meest uitgebreide instrumentensets hebben om de vorming en evolutie van atmosferische deeltjes in het land te begrijpen.”

Volgens Tiszenkel is hun groep de eerste in de VS die gelijktijdig de grootte-resolutie aerosolconcentraties van nieuw gevormde deeltjes tot micronformaten, gasfase voorlopers en de chemische samenstelling van deeltjes in-situ meet. “Dit betekent dat we uniek gepositioneerd zijn om definitieve conclusies te trekken over de oorzaken van stedelijke nieuw deeltjesvorming op moleculair niveau, terwijl we onbekende factoren minimaliseren.”