Luftverschmutzung ist neben dem Klimawandel eine der größten Umweltgefahren für die menschliche Gesundheit. Winzige Partikel, bekannt als Feinstaub oder PM2,5 (benannt nach ihrem Durchmesser von nur 2,5 Mikrometern oder weniger), sind eine besonders gefährliche Art von Schadstoffen. Diese Partikel werden aus einer Vielzahl von Quellen produziert, einschließlich Waldbränden und der Verbrennung fossiler Brennstoffe, und können in unseren Blutkreislauf gelangen, tief in unsere Lungen eindringen und Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Schäden verursachen. Die Exposition gegenüber Feinstaub ist weltweit jedes Jahr für Millionen von vorzeitigen Todesfällen verantwortlich.
Als Reaktion auf die zunehmenden Beweise für die schädlichen Auswirkungen von PM2,5 hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) kürzlich ihre Luftqualitätsrichtlinien aktualisiert und ihre empfohlene jährliche PM2,5-Expositionsrichtlinie von 10 Mikrogramm pro Kubikmeter um 50 Prozent gesenkt (μm3) bis 5 μm3. Diese aktualisierten Richtlinien stellen einen aggressiven Versuch dar, die Regulierung und Reduzierung anthropogener Emissionen voranzutreiben, um die globale Luftqualität zu verbessern.
Eine neue Studie von Forschern der MIT-Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen untersucht, ob die aktualisierte Luftqualitätsrichtlinie von 5 μm3 in verschiedenen Regionen der Welt realistisch erreichbar ist, insbesondere wenn die anthropogenen Emissionen aggressiv reduziert werden.
Die erste Frage, die die Forscher untersuchen wollten, war, inwieweit die Umstellung auf eine Zukunft ohne fossile Brennstoffe verschiedenen Regionen helfen würde, diese neue Luftqualitätsrichtlinie zu erfüllen.
„Die Antwort, die wir gefunden haben, ist, dass die Beseitigung von Emissionen aus fossilen Brennstoffen die Luftqualität auf der ganzen Welt verbessern würde, aber während dies einigen Regionen helfen würde, die WHO-Richtlinien einzuhalten, würden für viele andere Regionen hohe Beiträge aus natürlichen Quellen ihre Fähigkeit behindern, sie einzuhalten dieses Ziel“, sagt die leitende Autorin Colette Heald, die Germeshausen-Professorin in den MIT-Abteilungen für Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften.
Die Studie von Heald, Professor Jesse Kroll und den Doktoranden Sidhant Pai und Therese Carter wurde am 6. Juni in der Zeitschrift veröffentlicht Umweltwissenschaftliche und technologische Briefe, stellt fest, dass mehr als 90 Prozent der Weltbevölkerung derzeit durchschnittlichen jährlichen Konzentrationen ausgesetzt sind, die über den empfohlenen Richtwerten liegen. Die Autoren zeigen weiter, dass über 50 Prozent der Weltbevölkerung auch ohne alle anthropogenen Emissionen immer noch PM2,5-Konzentrationen ausgesetzt wären, die die neuen Luftqualitätsrichtlinien überschreiten.
Dies ist auf die großen natürlichen Quellen von Feinstaub – Staub, Meersalz und organische Stoffe aus der Vegetation – zurückzuführen, die immer noch in der Atmosphäre vorhanden sind, wenn anthropogene Emissionen aus der Luft entfernt werden.
„Wenn Sie in Teilen Indiens oder Nordafrikas leben, die großen Mengen an Feinstaub ausgesetzt sind, kann es schwierig sein, die PM2,5-Exposition unter die neue Richtlinie zu senken“, sagt Sidhant Pai, Co-Hauptautor und Doktorand. „Diese Studie fordert uns heraus, den Wert verschiedener Emissionsminderungskontrollen in verschiedenen Regionen zu überdenken, und legt die Notwendigkeit einer neuen Generation von Luftqualitätsmetriken nahe, die eine gezielte Entscheidungsfindung ermöglichen können.“
Die Forscher führten eine Reihe von Modellsimulationen durch, um zu untersuchen, ob es möglich ist, die aktualisierten PM2,5-Richtlinien weltweit unter verschiedenen Emissionsreduktionsszenarien zu erreichen, wobei 2019 als repräsentatives Basisjahr verwendet wurde.
Ihre Modellsimulationen verwendeten eine Reihe verschiedener anthropogener Quellen, die ein- und ausgeschaltet werden konnten, um den Beitrag einer bestimmten Quelle zu untersuchen. Beispielsweise führten die Forscher eine Simulation durch, bei der alle vom Menschen verursachten Emissionen abgeschaltet wurden, um die Menge der PM2,5-Verschmutzung zu bestimmen, die natürlichen Quellen und Feuerquellen zugeschrieben werden könnte. Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung des PM2,5-Aerosols in der Atmosphäre (z. B. Staub, Sulfat und Ruß) konnten die Forscher auch ein genaueres Verständnis der wichtigsten PM2,5-Quellen in einer bestimmten Region gewinnen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass erhöhte PM2,5-Konzentrationen im Amazonas überwiegend aus kohlenstoffhaltigen Aerosolen aus Quellen wie Entwaldungsbränden bestehen. Umgekehrt waren stickstoffhaltige Aerosole in Nordeuropa stark vertreten, mit großen Beiträgen von Fahrzeugen und der Verwendung von Düngemitteln. Die beiden Regionen würden daher sehr unterschiedliche Strategien und Methoden benötigen, um ihre Luftqualität zu verbessern.
„Die Analyse der Feinstaubbelastung über einzelne chemische Spezies hinweg ermöglicht für die Region spezifische Minderungs- und Anpassungsentscheidungen, im Gegensatz zu einem einheitlichen Ansatz, der ohne Verständnis der zugrunde liegenden Bedeutung verschiedener Quellen schwierig umzusetzen sein kann “, sagt Pai.
Als die WHO-Leitlinien zur Luftqualität im Jahr 2005 zuletzt aktualisiert wurden, hatten sie erhebliche Auswirkungen auf die Umweltpolitik. Wissenschaftler könnten sich ein Gebiet ansehen, das die Anforderungen nicht erfüllt, und hochrangige Lösungen zur Verbesserung der Luftqualität in der Region vorschlagen. Da die Richtlinien jedoch verschärft wurden, sind global anwendbare Lösungen zur Verwaltung und Verbesserung der Luftqualität nicht mehr so offensichtlich.
„Ein weiterer Vorteil der Speziation ist, dass einige der Partikel unterschiedliche Toxizitätseigenschaften haben, die mit gesundheitlichen Folgen korrelieren“, sagt Therese Carter, Co-Erstautorin und Doktorandin. „Es ist ein wichtiger Forschungsbereich, den diese Arbeit motivieren kann. Die Fähigkeit, dieses Puzzleteil zu trennen, kann Epidemiologen mehr Einblicke in die verschiedenen Toxizitätsgrade und die Auswirkungen bestimmter Partikel auf die menschliche Gesundheit geben.“
Die Autoren sehen diese neuen Erkenntnisse als Gelegenheit, die aktuellen Leitlinien zu erweitern und zu wiederholen.
„Routine- und globale Messungen der chemischen Zusammensetzung von PM2,5 würden politischen Entscheidungsträgern Informationen darüber geben, welche Maßnahmen die Luftqualität an einem bestimmten Ort am effektivsten verbessern würden“, sagt Jesse Kroll, Professor an den MIT-Abteilungen für Bau- und Umweltingenieurwesen und Chemieingenieurwesen . „Aber es würde uns auch neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich verschiedene chemische Spezies in PM2,5 auf die menschliche Gesundheit auswirken.“
„Ich hoffe, dass, wenn wir mehr über die gesundheitlichen Auswirkungen dieser verschiedenen Partikel erfahren, unsere Arbeit und die der breiteren Gemeinschaft der Atmosphärenchemie dazu beitragen können, Strategien zur Reduzierung der Schadstoffe zu entwickeln, die für die menschliche Gesundheit am schädlichsten sind“, fügt Heald hinzu.
Sidhant J. Pai et al., Aktualisierte Luftqualitätsrichtlinien der Weltgesundheitsorganisation unterstreichen die Bedeutung von nicht-anthropogenem PM2,5, Briefe zu Umweltwissenschaften und -technologie (2022). DOI: 10.1021/acs.estlett.2c00203
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