Nedstängningar förra året som svar på covid-19 resulterade i drastiska minskningar av utsläppen, speciellt från fordonsavgasrör, och ändå såg vissa stadsområden en paradoxal topp i ozonluftföroreningar. En ny studie ledd av National Center for Atmospheric Research (NCAR) använde en sofistikerad datormodell för att reda ut det komplicerade nätet av atmosfärisk kemi och meteorologi för att fastställa orsakerna till dålig luftkvalitet.

Forskningen, publiceras i Journal of Geophysical Research:Atmospheres , finner att för vissa regioner i världen, inklusive norra Kina, ökningen av ozonföroreningar var direkt kopplad till minskningen av utsläppen, medan i andra regioner, inklusive Europa, ovanliga väderförhållanden spelade en större roll.

Forskningen belyser de komplexa interaktionerna som bestämmer luftkvaliteten och ger en viss inblick i vad som kan hända om strängare luftkvalitetsregler infördes i några av världens mest förorenade städer.

"Covid-19-pandemin gav oss ett oväntat globalt luftkvalitetsexperiment, " sa NCAR-forskaren Benjamin Gaubert, som ledde studien. "Med vår jordsystemmodell, vi kunde undersöka hur atmosfären reagerade på en förändring i de typer av kemikalier som släpps ut i luften – särskilt förändringar av sekundära föroreningar, som ozon, som bildas i atmosfären och inte direkt avges från mänskliga aktiviteter."

Forskningen finansierades av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor, Europeiska kommissionen, Europeiska rymdorganisationen, och Hong Kong Research Grants Council.

Luftföroreningarna ökade i vissa städer

I början av 2020, städer över hela världen började låsa sig, först i Kina och sedan i Europa och på andra håll, som beslutsfattare kämpade för att hejda spridningen av covid-19. En bieffekt av stängningar av skolor, företag, och andra samlingsplatser var en kraftig minskning av utsläppen, såsom kväveoxider och flyktiga organiska föreningar, eftersom människor drar ner på bilkörning och andra typer av resor.

I många delar av världen, denna minskning bidrog till klarare himmel, och de ofta smogiga silhuetten i vissa större städer, inklusive Los Angeles och Delhi, blev knaprig. Dock, forskare märkte också att inom vissa specifika områden, luftföroreningarna förvärrades faktiskt. Till exempel, i vissa nordkinesiska städer, inklusive Peking, ozonföroreningarna ökade markant, i vissa fall fördubbling.

"Vi blev förvånade först, men på riktigt, det borde inte ha varit oväntat, sa Guy Brasseur, en framstående forskare och studiemedförfattare. "Det bekräftade faktiskt vad vi vet om det kemiska systemets komplexitet."

Luftkvaliteten bestäms inte bara av de föroreningar som direkt släpps ut i luften, men också av kemin som omvandlar dessa föroreningar när de väl kommer in i atmosfären. Luftkvaliteten varierar också med tiden på året och med väderförhållandena, vilket gör det svårt att hänföra förändringar i luftkvaliteten under låsningarna – på gott och ont – helt och hållet till själva låsningarna.

Att lösa atmosfärskemin från vädret

För att fastställa orsakerna till förändringar i luftkvaliteten som observerats under pandemin, forskargruppen använde den senaste versionen av den NCAR-baserade Community Earth System Model (CESM2.2). De simulerade först hur luftkvaliteten skulle ha sett ut 2020 om utsläppen varit i linje med tidigare år och upprepade sedan experimentet med de faktiska minskningarna av utsläppen som inträffade på grund av covid-19. Genom att jämföra de två, de skulle kunna reta ut effekterna av väder och atmosfärisk kemi på föroreningar, speciellt marknära ozon.

Ozon bildas i atmosfären när kväveoxider (till stor del släpps ut från förbränning av fossila bränslen i fordon och kraftverk) och flyktiga organiska föreningar (som släpps ut från en rad olika källor, inklusive färger, lösningsmedel, bekämpningsmedel, och byggmaterial, samt från fordon) reagerar i närvaro av solljus och värme. Även om kväveoxider är en nödvändig ingrediens för att tillverka ozon, de kan också verka för att förstöra ozon när deras koncentration är för hög.

Under pandemin avspärrningar, detta innebar att minskningar av utsläppen i vissa städer som vanligtvis har mycket höga koncentrationer av kväveoxider – inklusive Peking och andra städer i norra Kina – faktiskt begränsade förstörelsen av ozon som ägde rum av extra kväveoxider, i slutändan tillåter lokala ozonföroreningar att öka.

I städer som i allmänhet är mindre förorenade – inklusive storstadsområden i USA – finner den nya studien att minskningen av utsläppen berövade atmosfären från en viktig komponent för att producera ozon, och därför sänkte nivåerna av lokala ozonföroreningar.

Ökade ozonföroreningar inträffade även i norra Europa under nedstängningarna, men forskargruppen fann att den dominerande orsaken var vädret. I mars och april, norra Europa var soligare än genomsnittet och södra Europa var molnigare. Det extra solljuset i norr gjorde att ozon bildades lättare, orsakar en ökning av föroreningarna trots minskade utsläpp.

"Det är otroligt viktigt att använda modeller som simulerar både de meteorologiska förhållandena och atmosfärens kemi för att korrekt förstå vad vi ser i observationerna, sa brassören.

Studien ger också insikt i vilken politik som kan vara mest effektiv för att bekämpa luftföroreningar. Till exempel, i städer med extremt höga halter av kväveoxider, Det kan vara mer effektivt att begränsa flyktiga organiska föreningar istället för kväveoxider om målet är att minska ozonföroreningarna.

"Denna studie ger insikt i vilka åtgärder som kan vidtas för att minska utsläppen och förbättra luftkvaliteten, ", sa Brasseur. "Vi lärde oss att en enstaka metod kanske inte är effektiv. Vilka åtgärder som kan behöva vidtas varierar med säsongen och de varierar med platsen."