Ilmansaasteet ovat merkittävä maailmanlaajuinen ympäristöriski terveydelle ja elintarviketurvalle. Sen arvioidaan aiheuttavan maailmanlaajuisesti noin 3,7 miljoonaa ennenaikaista kuolemaa ja tuhoavan vuosittain miljoonien ihmisten ruokkimiseen tarvittavan sadon.
Terveysviranomaiset, suuri yleisö ja maanviljelijät tarvitsevat ennakkoilmoituksen, kun vaaralliset ilmanlaatutasot ovat nousussa. Kansallisen ilmakehätutkimuskeskuksen (NCAR) tutkijat ja insinöörit pyrkivät yhteistyössä muiden virastojen kanssa kehittämään uusia tekniikoita, jotka auttavat suoraan päätöksentekijöitä suunnittelemaan korkean saastepitoisuuden päiviä.
Tämän työn ansiosta meteorologit ja paikalliset suunnittelijat voivat:
- Ennustaa kaupunkien ja maaseutualueiden ilmanlaatua päiviä etukäteen.
- Projektoida ihmisen toiminnan ja ilmaston tulevien muutosten vaikutusta ilmanlaatuun.
- Kvantifioida ilmansaasteiden rajat ylittävää kulkeutumista.
- Määrittää ilman epäpuhtauksien alueellinen kulkeutuminen maan sisällä.
- Arvioida ilman epäpuhtauksien yhteiskunnallisia vaikutuksia.
- Parantaa päästöarvioita.
Edistynyt ilmanlaadun ennustejärjestelmä
Nykyaikaiset ilmanlaadun ennusteet ovat rajallisia. Ne antavat yksinkertaisen yhden arvon ennusteen, eikä niissä määritellä ennusteeseen liittyvää epävarmuutta. Niissä myös kerrotaan yksinkertaistetusti, ovatko otsonitasot korkeat vai matalat. Ennusteissa tarvitaan paljon yksityiskohtaisempia ennusteita, ja NCAR ja sen yhteistyökumppanit kehittävät NASAn rahoituksella uutta kykyä tuottaa 48 tunnin yksityiskohtaisia ennusteita maanpinnan otsonista ja pienhiukkasista.
Tässä uudessa ennustekyvyssä yhdistyvät satelliitti- ja in situ -havainnot sekä uusin mallinnus, ja se tuottaa yksityiskohtaisia ilmanlaatuennusteita. Aivan kuten sääennuste voi esimerkiksi varoittaa 80 prosentin todennäköisyydestä sataa iltapäivällä, uudet ilmanlaatuennusteet voivat varoittaa 80 prosentin todennäköisyydestä korkeisiin otsonipitoisuuksiin tiettyinä vuorokaudenaikoina. Tällaiset parannetut ennusteet parantavat merkittävästi ilmanlaadun hallintaan liittyvää päätöksentekoa. Tätä järjestelmää ollaan perustamassa USA:n ylle, mutta sitä voidaan helposti soveltaa mihin tahansa osaan maailmaa.
Tulevaisuuden ilmanlaadun ennustaminen
Mutta voidakseen kvantifioida tulevan tulevaisuuden ilmaston ja ihmistoiminnan muutosten aiheuttamia tulevia ilmanlaadun muutosta, NCAR:ssä on kehitettty globaali- ja aluekohtainen ilmastomalli kytkettyinä kemian kanssa. Näiden mallien avulla voidaan tutkia eri päästöskenaarioiden vaikutusta ilmanlaatuun millä tahansa maailman alueella. Niitä on käytetty ennustamaan ilmanlaadun muutoksia Yhdysvalloissa ja Intiassa vuosisadan puoliväliin (2050) asti.
Mallitulokset osoittavat, että ihmisen aiheuttaman päästöskenaarion RCP 8.5 (Representative Concentration Pathway) voi parantaa ilmanlaatua Yhdysvalloissa mutta ei Intiassa.
Saasteiden rajat ylittävän kulkeutumisen kvantitatiivinen arviointi
Hiukkasten elinajasta riippuen ilman epäpuhtaudet voivat kulkeutua ilmakehän tuulten mukana maasta toiseen. Näin ollen on erittäin tärkeää kvantifioida tällaisen rajat ylittävän kulkeutumisen osuus, kun suunnitellaan ilmansaasteiden vähentämisstrategioita.
NCAR on kehittänyt merkityn merkkiainetekniikan, jolla voidaan kvantifioida sekä kaasumaisten (hiilimonoksidi, CO) että aerosolien (musta hiili, BC) rajat ylittävien epäpuhtauksien osuus. Tämän tekniikan avulla rajat ylittävän liikenteen arvioidaan aiheuttavan jopa 30 prosenttia talviaikaisesta hiilidioksidisaasteesta, mutta alle 5 prosenttia BC-saasteesta Intiassa, mikä osoittaa, että Intian on tehtävä yhteistyötä naapurimaiden kanssa hiilimonoksidisaasteen vähentämiseksi. Se osoittaa kuitenkin myös, että maa pystyy hallitsemaan mustan hiilen aiheuttamaa saastumista.
Työskennellään sellaisten uusien tekniikoiden kehittämiseksi, jotka suoraan auttavat päätöksentekijöitä suunnittelemaan korkean saastumisen päiviä.
Saasteiden alueellisen kuljetuksen kvantifiointi
Rajanylittävän kuljetuksen tavoin on myös tärkeää kvantifioida alueellisen kuljetuksen (määriteltynä päästöinä kaikilta muilta kuin kyseiseltä maasta peräisin olevilta muilta maan alueilta tulevilta päästöiltä) osuus maan tietyn alueen ilmanlaadun parantumiseen, jotta voidaan suunnitella strategioita ilmanlaadun vähentämiseksi. Alueellisen liikenteen osuus hiilidioksidi- ja hiilidioksidipäästöjen ja hiilidioksidipäästöjen aiheuttamasta pilaantumisesta Etelä-Aasian eri alueilla on kvantifioitu käyttämällä tagged tracer -tekniikkaa.
Assessing Societal Impacts of Air Pollution
NCAR ja sen yhteistyökumppanit ovat yhdistäneet kemialliset kuljetusmallit maataloustuotantoa ja väestöä koskeviin tietokokonaisuuksiin arvioidakseen ilman pilaantumisen vaikutuksia ihmisten terveyteen ja viljelykasveihin. Intian alueella on arvioitu, että pinnan otsonisaasteet tuhoavat riittävästi ruokaa noin 94 miljoonalle ihmiselle, ja yhdessä pienhiukkasten kanssa ne voivat aiheuttaa vuosittain noin 0,9 miljoonaa ennenaikaista kuolemaa. Ilmansaasteiden terveys- ja satovaikutuksista Intiassa aiheutuvien taloudellisten vahinkojen arvioidaan olevan yli 2 miljardia dollaria.
Päästöarvioiden parantaminen
Nykyaikaisia maailmanlaajuisia ja alueellisia alhaalta ylöspäin suuntautuvia päästöestimaatteja on saatavilla, jotta voidaan arvioida ihmisen toiminnan vaikutusta ilmanlaatuun. Nämä päästöarviot ovat kuitenkin erittäin epävarmoja joillakin maailman alueilla. Näiden päästöarvioiden epävarmuuden vähentämiseksi NCAR on kehittänyt käänteismallinnusalgoritmeja, jotka yhdistävät kemian kulkeutumismallit epäpuhtauksien in situ – ja satelliittihavaintoihin päästöjen rajoittamiseksi.