Luften i USA är mycket renare än för ett decennium sedan. Men de förbättringarna har kommit främst på sommaren, säsongen som brukade vara affischbarnet för disinnehållande partiklar som orsakar astma, lungcancer och andra sjukdomar.

En ny studie ledd av University of Washington visar varför vinterns luftföroreningsnivåer har förblivit höga, trots totalt sett lägre nivåer av skadliga utsläpp från kraftverk och fordon under hela året.

"Under de senaste tio åren eller så, sommarens luftföroreningsnivåer har minskat snabbt, medan vinterns luftföroreningsnivåer inte har gjort det. Luftkvaliteten på sommaren är nu nästan densamma som på vintern i östra USA, " sa motsvarande författare Viral Shah, som gjorde arbetet som en del av sin UW doktorsexamen i atmosfäriska vetenskaper. "Vi har identifierat de kemiska processerna som förklarar den säsongsmässiga skillnaden som svar på utsläppsminskningar."

Studien, publicerades veckan den 23 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences , visar att partiklarna följer olika vägar på vintern.

Resultaten kom från att analysera observationer som samlats in under 2015 års vinterutredning av transporter, Kampanj för utsläpp och reaktivitet (VINTER). Under den UW-ledda ansträngningen, forskare tillbringade sex veckor på vintern med att flyga genom föroreningsplymer över New York City, Baltimore, Cincinnati, Columbus, Pittsburgh, Washington, D.C., och längs de koleldade kraftverken i Ohio River Valley.

Studien finansierades av National Science Foundation, med naturastöd från NASA och National Oceanic and Atmospheric Administration.

Partiklar som bildar smog kommer i olika smaker. Två viktiga är sulfater, från svaveldioxid som släpps ut huvudsakligen från koleldade kraftverk, och nitrater, skapas av kväveoxider som tillsammans kallas NOx. Luftkvalitetsregler har sänkt svaveldioxiden i USA med 68 procent mellan 2007 och 2015, och NOx med ungefär en tredjedel under den tiden.

Sommarnivåerna av partiklar - när de två smakerna av oxider klumpar ihop sig till vattniga paket av nitrater och sulfater som skapar vackra solnedgångar men skadar människors hälsa - har sjunkit i östra USA med ungefär en tredjedel under den tiden. Men vinterhalterna av partiklar har bara minskat med hälften så mycket, av skäl som varit oklara.

"De luftkvalitetsmodeller som vi använder för att förstå ursprunget till luftföroreningar fungerar ganska bra på sommaren, men har några problem på vintern. Före denna studie, vi kunde inte reproducera den observerade partikelsammansättningen på vintern, sa Lyatt Jaeglé, som var andraförfattare på tidningen och medansvarig utredare för fältkampanjen. "Vi har nu ett bättre verktyg för att titta på vad som är den bästa strategin för att förbättra vinterluftkvaliteten på regional skala i östra USA, och eventuellt andra platser, som Europa och Asien."

På sommaren, en del av den emitterade NOx och svaveldioxiden förblir i gasfasen och blir zappad av solljus eller deponeras på land, och resten bildar partiklar i form av nitrater och sulfater. När de primära ingredienserna faller, det gör även nivåerna av partiklar.

Men den nya analysen visar att vinterluftens kemi följer en mer komplex väg. Med mindre solljus och kallare temperaturer, mer av kemin sker i vätskefasen, på ytorna av befintliga partiklar eller vätske- och ismoln. I den fasen, när de primära ingredienserna faller, effektiviteten av att omvandla svaveldioxid till sulfat ökar, eftersom fler oxidanter finns tillgängliga. Och när sulfatet går ner, partiklarna blir mindre sura, gör att NOx lättare omvandlas till nitrater.

Så, även om luftkvalitetsreglerna har minskat båda typerna av primära utsläpp, den totala mängden partiklar som skadar människors hälsa har minskat långsammare.

"Det är inte så att sänkningarna inte fungerar. Det är bara det att sänkningarna har en upphävande effekt, och den avbrytande effekten har en bestämd styrka, sa Shah, som nu är postdoktor vid Harvard University. "Vi måste göra ytterligare minskningar. När minskningarna blir större än den avbrytande effekten, då kommer vintern att bete sig mer som sommar."

Studien förutspår att om inte utsläppsminskningarna överträffar nuvarande prognoser, luftkvaliteten på vintern kommer att fortsätta att förbättras endast gradvis fram till åtminstone 2023. I denna takt skulle det dröja flera år innan utsläppen når nivåer när vinterföroreningarna börjar minska snabbare.

"Det här dokumentet visar att förståelsen av den underliggande atmosfäriska kemin som omvandlar primära föroreningar till fina partiklar är avgörande för att kalibrera våra förväntningar om vad utsläppsminskningar kommer att åstadkomma, och därför för hur man kan optimera framtida utsläppsminskningar för att fortsätta få "den största valutan för pengarna" när det gäller att minska koncentrationerna av fina partiklar, " sa tredje författare Joel Thornton, som var huvudutredare på fältkampanjen.

Resultaten tyder på att fler utsläppsminskningar, av både svavel- och kväveoxider, kommer att behövas för att förbättra vinterluftkvaliteten i östra USA och andra kalla klimat.

"Denna forskning hjälper till att förklara varför utsläppskontroller för att minska luftföroreningsämnen, som sulfat och nitrat, har inte varit så framgångsrika som förväntat i östra USA på vintern, sa Sylvia Edgerton, programdirektör vid NSF:s avdelning för atmosfärs- och georymdvetenskap, som finansierade forskningen. "Fältkampanjen WINTER producerade en unik uppsättning vinterobservationer. De visar att kemisk återkoppling under vintermånaderna motverkar förväntade minskningar av luftföroreningar på grund av minskade utsläpp."