Neue Studie zeigt, wie die Umweltverschmutzung in Chicago je nach Nachbarschaft variiert

Wer an einer der großen Interstate Highways durch Chicago oder direkt am Lake Michigan wohnt, ist regelmäßig mehr Luftverschmutzung ausgesetzt als der Rest der Stadt, hat eine neue Studie der Northwestern University herausgefunden.

In der neuen Studie entwickelten Wissenschaftler von Northwestern Earth eine hochauflösende Simulation der Luftverschmutzung für die südliche Region des Michigansees. Die neue Simulation ist die erste, die Schätzungen der Luftqualität über Chicago auf Nachbarschaftsebene erstellt, indem hochauflösende Emissionsdaten mit Wetter- und Chemikalientransportmodellen kombiniert werden, um zu zeigen, wie Luft und Chemie interagieren und sich über Zeit und Raum hinweg in der Stadt und Umgebung bewegen Bereiche. Dieser Ansatz zeigt nicht nur, wo sich verschiedene Schadstoffe bilden, sondern auch, wie sich Schadstoffe ausbreiten, mit anderen Gasen und Sonnenlicht in der Luft interagieren und sich je nach Jahreszeit verändern.

Die endgültige Version der Studie wurde in veröffentlicht Journal of Geophysical Research: Atmosphären.

Mithilfe der neuen Simulation stellten die Forscher fest, dass die Belastung durch Luftverschmutzung nicht gleichmäßig auf die Gemeinden Chicagos verteilt ist. Mit ihrem Modell verfolgen die Forscher drei gesundheitsgefährdende Hauptschadstoffe: Stickstoffdioxid, Feinstaub (Ruß, Staub und Rauch) und Ozon. Sie fanden heraus, dass Viertel entlang der I-290, I-90 und I-94 eine doppelt so hohe Stickstoffdioxid- und Feinstaubkonzentration aufweisen wie Gemeinden mit der geringsten Verschmutzung in Chicago. Nachbarschaften, die direkt an den Michigansee grenzen, sind einer stärkeren bodennahen Ozonbelastung ausgesetzt.

Durch die Bereitstellung einer detaillierten Schätzung der Luftverschmutzung für jede Nachbarschaft in der gesamten Region wollen die Forscher Entscheidungsträger dabei unterstützen, Lösungen zu finden – wie die Elektrifizierung öffentlicher Verkehrsmittel oder den Bau von mehr Grünflächen – für bestimmte Gebiete, die sie am dringendsten benötigen.

„Die genaue Charakterisierung der Luftqualität ist wirklich wichtig, weil sie die körperliche und geistige Gesundheit der Menschen beeinflusst“, sagte Daniel Horton von Northwestern, leitender Autor der Studie. „Schlechte Luftqualität hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Lebensqualität einer Person und kann letztendlich dazu führen, dass Menschen früher sterben, als sie sollten. Daher ist es wichtig zu verstehen, wo die Luftqualität schlecht ist, insbesondere weil benachteiligte und marginalisierte Gemeinschaften dies historisch und zu Unrecht getan haben die Last der schlechten Luftqualität getragen.“

„Wenn wir uns die Verschmutzung und die Auswirkungen ansehen, reicht es nicht aus, nur zu schauen, woher die Emissionen kommen“, fügte Anastasia Montgomery, die Hauptautorin der Studie, hinzu. „Wir müssen die Chemie, Klimatologie und Wetterbedingungen in der Gegend berücksichtigen. Wir können diese Simulation verwenden, um eine bessere Vorstellung von der Heterogenität der Verschmutzung in der ganzen Stadt zu bekommen, was letztendlich zu fundierteren und gerechteren politischen Entscheidungen führen könnte.“

Horton ist Assistenzprofessor für Erd- und Planetenwissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten, wo er die Climate Change Research Group leitet. Montgomery ist ein Ph.D. Kandidat in Hortons Forschungsgruppe.

Die Charakterisierung der Luftqualität, insbesondere auf Nachbarschaftsebene, ist eine Herausforderung. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) überwacht kontinuierlich die Luftqualität in den Vereinigten Staaten mit einem Sensornetzwerk, das verschiedene Schadstoffe misst. Satelliten in der Atmosphäre machen ein- bis zweimal täglich Schnappschüsse der Luftqualität. Und kostengünstige Sensornetzwerke nehmen an den Standorten, an denen sie eingesetzt werden, nicht gesetzlich vorgeschriebene Schätzungen vor. Während alle diese Methoden wichtige Informationen sammeln, hinterlassen sie kritische Lücken in den Daten.

„Im Durchschnitt gibt es in den USA nur einen EPA-Monitor pro 1.000 Quadratkilometer, das ist also ein ziemlich spärliches Überwachungsnetz“, sagte Montgomery. „Die Luftverschmutzung in einer Stadt wird sehr unterschiedlich sein, je nachdem, ob Sie in einem Park oder neben einer Fabrik stehen.

„Satelliten blicken durch die gesamte Atmosphäre nach unten, daher können sie nur ungefähr abschätzen, was auf Nasenhöhe passiert. Wir wollten diese Lücken füllen, damit wir besser verstehen können, wer schlechter Luftqualität ausgesetzt ist und ob die Exposition gleichmäßig über die Luft verteilt ist oder nicht Stadt.“

Um diese Lücken zu schließen, verwendeten Horton, Montgomery und ihr Team einen neuartigen Emissionsdatensatz und ein gekoppeltes physikalisch- und chemiebasiertes Modell. Mit dem auf Physik basierenden Modell konnten die Forscher simulieren, wie sich Schadstoffe von ihrer Quelle über Raum und Zeit bewegen. Und das auf Chemie basierende Modell ermöglichte es den Forschern, sekundäre Schadstoffe wie Ozon zu verfolgen, das entsteht, wenn Emissionen von Stickoxiden (NOx) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) Sonnenlicht ausgesetzt werden.

Das resultierende Modell kann die stündliche Luftverschmutzung simulieren, wie sie in 1,3 Kilometer großen Raumblöcken auftritt. Mithilfe von Simulationen im 1,3-Kilometer-Maßstab lösten die Forscher Gebiete mit hoher Schadstoffbelastung in einzelnen Stadtvierteln auf und charakterisierten saisonale Veränderungen des Ozons in kleinen Gebieten.

Unter ihren Ergebnissen stellten Horton und Montgomery fest, dass das Ozon über dem Lake Michigan (einschließlich Gemeinden entlang des Sees) und in ländlichen Gemeinden am höchsten ist. Nachdem Autos mit Verbrennungsmotoren NOx emittieren, drückt der Luftstrom Schadstoffe aus der Stadt weg. NOx wird dann dem Sonnenlicht ausgesetzt und reagiert mit anderen Chemikalien, wodurch Ozon entsteht. Die Ozonwerte sind in den wärmeren Monaten besonders hoch, wenn das Sonnenlicht besser verfügbar ist; Konzentrationen werden während der Wintermonate halbiert.

Die Forscher fanden auch heraus, dass die NOx- und Feinstaubwerte entlang von Autobahnen am schlimmsten sind – unabhängig von Jahreszeit und Wetter. Selbst wenn der Rest der Stadt einen Tag mit hoher Luftverschmutzung erlebt, bleibt die Luftverschmutzung entlang der Autobahnen immer noch konstant höher als in anderen Gebieten.

Als nächstes planen die Forscher zu untersuchen, wie potenzielle Lösungen, wie z. B. eine breitere Einführung von Elektrofahrzeugen, die Luftverschmutzung in der Stadt beeinflussen könnten.

„Wir können die Luftverschmutzung nicht nur mit einer sehr feinen Auflösung charakterisieren, sondern auch Lösungen für das Problem erforschen“, sagte Horton. „Das Schöne an der Verwendung eines numerischen Modells ist, dass wir Experimente durchführen können, um zu sehen, welche Lösungen die Luftqualität verbessern würden, und mit diesem Modell können wir Lösungen erforschen, die auf die am stärksten Betroffenen abzielen.“