Исследователи демонстрируют новый подход к разработке мер по контролю выбросов для конкретных мест

Анализ Массачусетского технологического института (MIT) о том, как лучше всего сократить содержание мелкодисперсных частиц в атмосфере, дал неожиданные результаты. Из-за прошлого регулирования уровни ключевых выбросов, формирующих эти вредные частицы, теперь ниже, чем десять лет назад, что заставило некоторых экспертов предположить, что их дальнейшее сокращение может иметь незначительный эффект. Исследование MIT опровергает это. Используя атмосферную модель, ученые выяснили, что новые политики по ограничению тех же выбросов будут сейчас даже более эффективны, чем в прошлом. Дальнейший анализ прояснил химические процессы, объясняющие их выводы, включая некоторые неожиданные. Результаты демонстрируют важность адаптации политики борьбы с загрязнением воздуха к конкретным ситуациям и скоординированного подхода к различным типам выбросов.

Одним из самых распространенных и тревожных загрязнителей воздуха сегодня являются частицы PM2.5. Эти крошечные частицы диаметром менее 2,5 микрон могут проникать глубоко в легкие, вызывая проблемы со здоровьем, включая астму и сердечные заболевания, и даже преждевременную смерть. Многие из этих частиц образуются в результате химических реакций в каплях воды между тремя типами выбросов: оксидами азота (NO_x), в основном от транспорта; диоксидом серы (SO₂) от электростанций и промышленных объектов; и аммиаком (NH₃) от сельскохозяйственной деятельности. Прошлое регулирование, ограничивающее выбросы NO_x и SO₂, наряду с экономическими тенденциями и увеличением использования природного газа, снизило концентрации PM2.5 за последнее десятилетие.

Тем не менее, проблемы сохраняются в некоторых регионах, и для снижения ущерба здоровью необходимы дальнейшие политические меры. Но как лучше всего добиться дальнейшего сокращения PM2.5, было неясно, поскольку фоновые концентрации NO_x и SO₂ сейчас значительно ниже, чем раньше, и это изменение может сильно повлиять на химию образования частиц. Некоторые эксперты предполагали, что дальнейшие сокращения могут дать убывающую отдачу.

Исследователи из MIT — Ноэль Селин, Сьюзан Соломон и аспирант Джейрет Холт — использовали комплексные модели химических реакций в атмосфере, чтобы изучить эту химию и определить, как PM2.5 реагирует на изменения уровней выбросов с учетом фоновых условий. Они сосредоточились на 2005 и 2012 годах, которые имеют заметно разную фоновую химию: с 2005 по 2012 год выбросы NO_x упали на 42%, а SO₂ — на 62%, в то время как аммиак остался примерно на постоянном уровне. Используя модель GEOS-Chem, они рассчитали «чувствительности» — то, насколько меньше (или больше) PM2.5 образуется при уменьшении (или увеличении) выбросов на одну единицу — для каждого из трех загрязнителей в 2005 и 2012 годах по всей территории США, учитывая зимние и летние условия.

Результаты оказались неожиданными. Вопреки ожиданиям, чувствительность образования PM2.5 к выбросам NO_x и SO₂ во многих случаях оказалась выше в 2012 году, чем в 2005 году. Это означает, что теперь на каждую единицу выброшенных NO_x и SO₂ образуется больше PM2.5. Например, зимняя чувствительность к NO_x в холодных влажных районах северного Среднего Запада США в 2012 году была вдвое выше, чем в 2005 году. Чувствительность к SO₂ летом в восточной части США в 2012 году была на 80% больше. В то же время чувствительность к выбросам аммиака в 2012 году была примерно на 40% ниже.

Дальнейший анализ химии PM2.5 объяснил эти выводы. Ключевую роль играет электронейтральность частиц, которые образуются из положительно заряженных ионов аммония (NH₄₊) и отрицательных нитратов (NO_3-) или сульфатов (SO₄²⁻). Резкое снижение выбросов NO_x привело к тому, что в некоторых регионах, например на севере Среднего Запада, азот перестал быть в избытке и стал лимитирующим фактором для образования нитрата аммония в частицах. «Внезапно каждый дополнительный нитрат действительно важен, потому что он будет соединяться с аммиаком, образуя больше PM2.5. Это говорит о том, что сокращение выбросов NO_x сейчас может принести даже больше пользы, чем в 2005 году», — объясняет Ноэль Селин.

Что касается SO₂, то доминирующим механизмом оказалась не химия в частицах, а химия в атмосферных газах: более низкая концентрация NO_x в 2012 году сопровождается более высокой концентрацией ключевого окисляющего соединения, которое быстрее преобразует SO₂ в сульфат, доступный для образования PM2.5.

Выводы исследования демонстрируют важность понимания процессов образования PM2.5 до принятия политических решений. Учитывая ключевую роль взаимодействий между выбросами, исследователи рекомендуют рассмотреть скоординированный, многокомпонентный подход к регулированию. «Для принятия политических решений мы хотели бы знать, какой будет эффективность сокращения одной единицы данного выброса», — говорит Селин. Представленный метод анализа позволяет оценить это для любого года и местоположения, что может быть применено, например, к таким городам, как Пекин и Нью-Дели, для разработки наиболее эффективной стратегии улучшения качества воздуха.