Лесные пожары выбрасывают в атмосферу огромное количество видимых загрязнителей, которые затемняют небо и заставляют людей оставаться в помещениях, чтобы избежать вредного для здоровья воздуха. Однако невидимая угроза для здоровья населения, связанная с лесными пожарами, — это озон. Это молекула активного кислорода $O_3$, которая наносит вред лёгким и другим чувствительным тканям в организме человека.
Новое исследование, проведённое Университетом Юты, документально подтверждает, как дым от западных лесных пожаров существенно повышает концентрацию озона, часто превышая федеральные стандарты по охране здоровья. Это происходит даже в отдалённых местах с небольшим количеством источников выбросов предшественников озона, таких как оксиды азота, или $NO_x$.
«Вопрос, который я хотел задать: если у нас не будет городских выбросов, скажем, мы сведём к нулю все выбросы, будет ли у нас проблема с озоном? — сказал ведущий автор Дерек Маллиа, доцент кафедры атмосферных наук. — Это исследование показывает, что мы могли бы удалить все региональные выбросы от антропогенных источников $NO_x$, но пожары всё равно могут производить большое количество озона».
Основные выводы исследования
Исследование, опубликованное в журнале «Атмосферная среда», подчёркивает, что в районах, находящихся с подветренной стороны от пожаров, наблюдается двойная доза загрязнения воздуха: высокие уровни как мелкодисперсных частиц, так и озона. По оценкам, воздействие дыма приводит к 6300 смертям в год в Соединённых Штатах.
Озон не выделяется непосредственно в воздух; он образуется в атмосфере, когда атомы кислорода из других загрязнителей вновь соединяются в ходе фотохимического процесса с участием солнечного света. Основными факторами являются $NOx$ и летучие органические соединения, или $VOCs$ (последние являются основным компонентом дыма от лесных пожаров). $NOx$, с другой стороны, больше связан с антропогенными источниками выбросов, такими как выхлопные трубы транспортных средств и промышленные дымовые трубы.
Уровни озона очень трудно моделировать, поскольку на этот загрязнитель влияет множество факторов, включая скорость и направление ветра, температуру, облачный покров и время суток.
Для лучшего понимания сложной взаимосвязи между дымом и озоном команда Маллии применила связанные компьютерные модели, известные как WRF-Sfire и WRF-Chem, к рекордному событию с дымом в 2020 году, которое затронуло большую часть западной части Соединённых Штатов. В период с 15 по 26 августа произошёл один из худших эпизодов пожаров на Западе в современную эпоху.
Исследование показало, что в среднем присутствие дыма от лесных пожаров увеличивает концентрацию озона на 21 часть на миллиард (ppm). «Уровень озона был примерно на 20–30 % выше из-за дыма от лесных пожаров, — сказал Маллиа. — Это довольно много».
Поскольку фоновые уровни озона на Западе уже повышены, эта дополнительная нагрузка потенциально выводит уровни за пределы установленного Агентством по охране окружающей среды США стандарта в 70 частей на миллиард (ppb).
Исследование также показало, что затенение от самого дыма изменяет погоду и замедляет образование озона, снижая его уровень до 10 ppb в пределах шлейфа. «Вы также имеете дело с большим количеством твёрдых частиц, которые также являются загрязнителями, но они могут блокировать солнечный свет, и поэтому это уменьшит количество солнечного света, доступного для фотохимии озона. В некоторых случаях это может быть существенным, — сказал Маллиа. — Если вы находитесь прямо над огнём, обычно достаточно затенения от дыма, чтобы ограничить количество озона. Но если вы отойдёте достаточно далеко и шлейф станет относительно рассеянным, он обычно недостаточно густ, чтобы реально ограничивать озон».
Ключевой вывод исследования заключается в том, что существующие модели должны быть улучшены, поскольку лесные пожары становятся более частыми и разрушительными по мере потепления климата. Такие инструменты, как модели WRF-Sfire и WRF-Chem, будут иметь важное значение для прогнозирования качества воздуха и защиты здоровья населения в сезон лесных пожаров, но эти инструменты нуждаются в постоянной доработке для учёта сложной динамики дыма.