Исследователи из Технологического института Джорджии проанализировали сезонные различия сульфатных аэрозолей — основного загрязнителя в Соединённых Штатах — чтобы изучить долгосрочное влияние сокращения выбросов диоксида серы (SO₂) после принятия поправок к Закону о чистом воздухе в 1990 году.
Профессор Школы наук о Земле и атмосфере Юханг Ван и его команда изучили факторы, влияющие на концентрации SO₂ и сульфатов в зимний и летний периоды в «Ржавом поясе» — от Нью-Йорка через Средний Запад — и в юго-восточных регионах США за два десятилетия (с 2004 по 2023 год). Команда также разработала ансамблевый подход машинного обучения для прогнозирования сезонных закономерностей до 2050 года.
«Электростанции, особенно те, которые сжигают уголь и нефть, являются основным источником выбросов SO₂ в этих регионах», — говорит Ван, который в соавторстве со своими аспирантами Фанхэ Чжао и Шэнцзюнь Си опубликовал исследование в журнале Environmental Science & Technology Letters.
В США химический состав атмосферы меняется в зависимости от сезона. Летом солнечное излучение от яркого солнечного света активирует окислительные реакции, в результате которых в атмосфере образуется перекись водорода (H₂O₂). Количество образующейся H₂O₂ определяется объёмом выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, и как только она попадает в атмосферу, H₂O₂ может быстро окислять SO₂ в сульфатные аэрозоли в водной фазе.
Сульфатные аэрозоли, образующиеся в результате окисления SO₂, способствуют образованию твёрдых частиц диаметром менее 2,5 микрометров (PM₂.5). Частицы сульфата представляют значительную опасность для окружающей среды и здоровья населения, включая загрязнение воздуха, кислотные дожди, а также проблемы с кровообращением и дыханием.
«Поставки H₂O₂ летом в восемь раз больше, чем зимой, — огромная разница, — объясняет Ван. — Это означает, что концентрации сульфатов в летний период, как правило, выше, и сокращение выбросов SO₂ приводит к пропорциональному снижению концентраций сульфатов».
«Когда зимой выбросы SO₂ превышают доступное количество H₂O₂, снижение концентраций сульфатов может быть намного меньше из-за эффекта „химического демпфирования“, который приводит к тому, что уровни сульфатов снижаются медленнее, чем выбросы SO₂», — добавляет Ван.
Наблюдения за двухдесятилетний период выявили чёткие закономерности в снижении выбросов SO₂ и концентраций сульфатов в зимний и летний периоды. Хотя выбросы SO₂ значительно снизились в оба сезона с течением времени — в первую очередь благодаря Закону о чистом воздухе и большему количеству электростанций, переходящих с угля на природный газ — сокращение концентраций сульфатов первоначально демонстрировало большие сезонные различия. Однако за последнее десятилетие разница между зимними и летними уровнями сульфатов сократилась по мере снижения выбросов SO₂.
Согласно Вану, сезонное различие концентраций сульфатов было вызвано изменением химического режима зимой с течением времени. Хотя более низкие поставки H₂O₂ оставались стабильными зимой, выбросы SO₂ в зимний период были выше с 2004 по 2013 год, затем опустились ниже уровня H₂O₂ после 2013 года — достигнув паритета с уровнями сниженных выбросов SO₂ летом.
«Когда вы сталкиваетесь с такой сложностью атмосферных химических процессов, в зимний период возникает нелинейный эффект — по мере снижения выбросов SO₂ эффективность производства сульфатных аэрозолей увеличивалась до 2013 года, а затем стабилизировалась. Снижение концентраций сульфатных аэрозолей первоначально отставало от снижения выбросов SO₂, но в итоге догнало его в результате постоянных усилий по контролю качества воздуха», — говорит Ван.
«И наоборот, летом существует простой линейный эффект — чем больше выбросов SO₂, тем больше сульфатных аэрозолей в атмосфере, и если вы сокращаете одно, другое сокращается в той же пропорции», — продолжает Ван.
Проекции исследователей с помощью машинного обучения указывают на продолжающееся снижение уровней сульфатов зимой и летом до 2050 года, которые в настоящее время составляют около 20%, поскольку контроль выбросов SO₂ достигает сопоставимой эффективности в течение всех сезонов.
«Сейчас мы видим полный эффект от Закона о чистом воздухе, — заключает Ван, — и постоянные усилия страны по сокращению загрязнения играют ключевую роль в улучшении качества воздуха и здоровья населения».
Предоставлено: Georgia Institute of Technology.