Undersøgelsen bekræfter en manglende brik i puslespillet om luftkvalitet i byerne

På trods af den fremtrædende sundhedstrussel, som fin partikelforurening udgør, grundlæggende aspekter af dens dannelse og udvikling fortsætter med at undvige videnskabsmænd.

Dette gælder især for den organiske fraktion af fine partikler (også kaldet aerosol), hvoraf meget dannes, da organiske gasser oxideres af atmosfæren. Computermodeller underforudsiger denne såkaldte "sekundære" organiske aerosol (SOA) i sammenligning med feltmålinger, angiver, at modellerne enten mangler nogle vigtige kilder eller undlader at beskrive de fysiske processer, der fører til SOA-dannelse.

Ny forskning fra Carnegie Mellon University i samarbejde med National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) kaster lys over en undervurderet kilde til SOA, der kan hjælpe med at lukke dette model-målingsgab. Udgivet i Miljøvidenskab og -teknologi , Undersøgelsen viser, at flygtige organiske forbindelser (VOC'er), der ikke traditionelt betragtes, kan bidrage lige så meget eller mere til SOA i byer, som længe var årsag til kilder som køretøjsemissioner og indåndede gasser fra træblade.

"Vores eksperiment viser, at i områder, hvor du har mange mennesker, du kan kun forklare omkring halvdelen af ​​SOA set i marken med de traditionelle emissioner fra køretøjer og træer, " sagde Albert Presto, en professor i maskinteknik og studiets tilsvarende forfatter. "Vi tilskriver den anden halvdel til disse ikke-traditionelle VOC'er."

I 2018, forskere fra NOAA slog til i tidsskriftet Videnskab da de detaljerede, hvordan ikke-traditionelle VOC'er repræsenterer halvdelen af ​​alle VOC'er i byatmosfæren i amerikanske byer. Ikke-traditionelle VOC'er stammer fra en række forskellige kemikalier, industrier, og husholdningsprodukter, herunder pesticider, belægninger og maling, rengøringsmidler, og endda produkter til personlig pleje som deodoranter. Sådanne produkter indeholder typisk organiske opløsningsmidler, hvis fordampning fører til betydelige atmosfæriske emissioner af VOC'er.

"Det er mange dagligdags ting, vi bruger, " sagde Presto. "Alt du bruger, der er duftende, indeholder organiske molekyler, som kan komme ud i atmosfæren og reagere", hvor det kan danne SOA.

Udbredelsen af ​​disse VOC'er repræsenterer et paradigmeskift i det urbane SOA-billede. Transportsektoren havde længe været den dominerende kilde til VOC i byluften, men køretøjets emissioner i USA er faldet drastisk (op til 90 %) på grund af udstødningsreguleringer i de seneste årtier, selvom brændstofforbruget er steget. Efterhånden som transportrelaterede VOC'er er blevet mere fremtrædende, ikke-traditionelle VOC'er er begyndt at udgøre et større relativt bidrag til den urbane atmosfære. Mens NOAA's forskning advarede det atmosfæriske videnskabssamfund om størrelsen af ​​ikke-traditionelle VOC'er i bymiljøer, de kunne kun antage, at disse gasser sandsynligvis var vigtige for SOA-dannelse; idéen skulle stadig afprøves.

Det er ikke en nem opgave at teste, hvor meget SOA der dannes af disse, imidlertid. SOA-dannelse i atmosfæren udspiller sig i løbet af flere dage, hvilket gør det vanskeligt at spore de udsendte gassers rejse, da de spredes af vinden og begynder at reagere med sollys og andre oxidanter.

Rishabh Shah, en kandidatstuderende, der studerede hos Presto og nu arbejder hos NOAA, konstrueret en reaktor for at evaluere det fulde potentiale for SOA-dannelse i en luftprøve uden at skulle spore den luft over tid.

"Reaktoren er lidt som en app på din smartphone til SOA-dannelse, " sagde Shah. "Du tager dit billede, og appen viser dig, hvordan du ville se ud om et årti."

Reaktoren accelererer den bugtende rejse en gas tager ved at bombardere den med oxidanter i meget højere koncentrationer, end der findes i atmosfæren. Dette simulerer fysisk på få sekunder alle de reaktioner et gasmolekyle udsættes for i atmosfæren i løbet af en uge. Om blot et øjeblik, Shahs reaktor kan evaluere det fulde potentiale af den luft, den prøver at danne SOA.

Holdet monterede deres reaktor i en varevogn, skabe en mobil platform, hvorfra de kunne få adgang til luft fra forskellige indstillinger indeholdende varierende niveauer af ikke-traditionelle VOC'er. Disse lokaliteter omfattede steder medvind fra et stort industrianlæg, ved siden af ​​en byggeplads, i de dybe 'gadekløfter' skabt af skyskraberne i et bycentrum, og blandt lavhuse i et bykvarter.

På steder med store mængder ikke-traditionelle VOC'er, reaktoren dannede store mængder SOA. Disse steder omfattede både downtown street-canyons og blandt byernes lavhuse, begge steder, hvor fordampningen af ​​forbrugerprodukter som deodoranter og balsam er høj, især om morgenen. Avancerede gasanalysatorer ombord på den mobile platform gjorde det muligt for holdet at opdage tilstedeværelsen af ​​mange af disse ikke-traditionelle VOC'er.

Vigtigt, på disse steder kunne standard-state-of-the-art computermodellerne ikke forudsige den fulde mængde SOA, de observerede i deres reaktor. Imidlertid, i andre miljøer med færre ikke-traditionelle VOC'er, modellen var i stand til præcist at forudsige, hvor meget SOA der blev dannet i reaktoren.

Sammen, disse beviser udgør et overbevisende argument for, at ikke-traditionelle VOC-emissioner er ansvarlige for en betydelig mængde SOA i byerne. Presto vurderer, at disse ikke-traditionelle emissioner har nogenlunde det samme bidrag som transport- og biosfæreemissioner tilsammen, i overensstemmelse med hypotesen fremsat af NOAA.

"Traditionelt vi har fokuseret meget på kraftværker og køretøjer til luftkvalitet, som er blevet meget renere i USA." sagde Presto. "Det betyder, at nu, en betydelig del af SOA kommer fra denne anden 'hverdag, overalt' kategori, der ikke rigtig er blevet overvejet indtil for nylig."