Badania finansowane przez NASA ujawniają ukryty wpływ dymu z pożarów na ozon

Dym z pożarów staje się nowym wyzwaniem dla czystszego powietrza. Badanie wspierane przez NASA, opublikowane w czwartek, wykazało, że w ciągu ostatniej dekady pożary pogorszyły zanieczyszczenie ozonem przyziemnym w dużej części Stanów Zjednoczonych, tworząc niezdrowe powietrze daleko od aktywnych płomieni.

Pożary stały się coraz ważniejszym czynnikiem wpływającym na ozon przyziemny, czyli smog, w wielu miejscach w Stanach Zjednoczonych, jak informują badacze w artykule opublikowanym 4 czerwca w czasopiśmie Science. Na poziomie krajowym pożary zniwelowały prawie czteroletnie zyski w zakresie kontroli ozonu, z większymi stratami na Zachodzie i w Środkowym Zachodzie.

Dym często kojarzy się z sadzą, popiołem i innymi drobnymi cząstkami, które sprawiają, że powietrze wygląda na mgliste. Jednak pożary emitują również gazy, takie jak tlenek węgla, które mogą przyczyniać się do tworzenia ozonu przy powierzchni w świetle słonecznym, gdy obecne są inne zanieczyszczenia. Ozon przyziemny jest niewidocznym zanieczyszczeniem szkodliwym dla zdrowia ludzi, roślin i upraw. Gdy smog przemieszcza się i miesza z innymi zanieczyszczeniami, te reakcje mogą prowadzić do wzrostu ozonu setki, a nawet tysiące mil od aktywnych pożarów.

„Obserwacje Ziemi NASA, wraz z sieciami monitorowania na ziemi, pomagają ujawniać ryzyko związane z jakością powietrza z pożarów, które mogą przekraczać granice stanowe, dając menedżerom jakości powietrza lepsze informacje do podejmowania decyzji, gdy dym z pożarów wpływa na coraz więcej społeczności” – powiedział John Haynes, menedżer programu Zdrowie i Jakość Powietrza w NASA Earth Action w siedzibie agencji w Waszyngtonie. „To silny przykład nauki NASA służącej społecznościom tutaj w USA.”

Budowanie jaśniejszego obrazu ozonu

Wysoko w atmosferze ozon chroni Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym. Jednak blisko ziemi ozon może podrażniać płuca, pogarszać astmę i inne choroby układu oddechowego oraz zwiększać ryzyko zdrowotne dla dzieci, osób starszych, pracowników na świeżym powietrzu i osób z istniejącymi schorzeniami zdrowotnymi.

Aby śledzić zmiany ozonu przyziemnego, badacze zwrócili się do głębokiego uczenia, formy sztucznej inteligencji, która znajduje wzorce w dużych zbiorach danych. Użyli go do stworzenia unikalnego zbioru danych szacującego codzienny poziom ozonu przyziemnego od 2003 do 2024 roku na siatce o wymiarach jednego kilometra na kilometr – około 0,6 mili na każdą stronę – w całych Stanach Zjednoczonych. Prace te otrzymały wsparcie z programu Zdrowie i Jakość Powietrza NASA oraz innych grantów NASA.

Naukowcy połączyli dane z około 1000 stacji monitorowania jakości powietrza z danymi modeli atmosferycznych, informacjami meteorologicznymi, danymi o zanieczyszczeniu z pożarów oraz informacjami pochodzącymi z satelitów, w tym produktami z Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) i Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).

Ich analiza ujawniła dwa wyraźne okresy. Od 2003 do 2015 roku ogólny poziom ozonu przyziemnego w USA zazwyczaj malał, gdyż emisje zanieczyszczeń tworzących ozon zmniejszały się. Po 2015 roku jednak te zyski spowolniły lub odwróciły się w wielu miejscach. Porównując szacowane poziomy ozonu z scenariuszami, które wykluczały wpływ pożarów, badacze stwierdzili, że zanieczyszczenie z pożarów było głównym czynnikiem tej zmiany.

Bez wkładu pożarów, poziom ozonu przyziemnego w Środkowym Zachodzie prawdopodobnie nadal by malał. Zamiast tego pożary zniwelowały około 5,3 roku postępu w zakresie kontroli ozonu od 2015 roku.

„Ludzie w Środkowym Zachodzie mogą myśleć, że pożary palące się daleko nie będą ich dotyczyć” – powiedział Jun Wang, główny autor badania i naukowiec atmosferyczny na Uniwersytecie Iowa w Iowa City. „Ale gdy zanieczyszczenie z pożarów dostaje się do powietrza, może przemieszczać się między regionami. Zanieczyszczenie z jednego miejsca może wpływać na jakość powietrza w innym.”

Mierzenie wpływu na zdrowie

Badanie wykazało również, że ozon wywołany pożarami zwiększył narażenie na niezdrowe powietrze i prawdopodobnie przyczynił się do przedwczesnych zgonów. Szacuje się, że przedwczesne zgony związane z długoterminowym narażeniem na ozon związany z pożarami w USA wzrosły o około 318 zgonów rocznie po 2013 roku, a średnia po 2013 roku była o 46% wyższa niż w poprzedniej dekadzie. Badacze obliczyli przedwczesne zgony, korzystając z średniej długości życia, szacunków narażenia na ozon i gęstości zaludnienia.

Pożary w Kanadzie w 2023 roku pokazały, jak szeroko te ryzyka mogą się rozprzestrzeniać, z wzrostem ozonu wywołanym dymem rozciągającym się przez Środkowy Zachód i w niektóre części Północnego Wschodu i Południa. Ogólnie, od 2022 do 2024 roku pożary narażały dodatkowe 43 miliony ludzi w USA na warunki, które nie spełniały obecnych federalnych standardów jakości powietrza dla ozonu, oszacowali badacze.

Ujęcie tego ogólnokrajowego obrazu jest trudne tylko na podstawie monitorów na ziemi. Monitory na ziemi pozostają podstawą monitorowania jakości powietrza w USA, ale nie obejmują każdej społeczności. Naukowe obserwacje satelitarne NASA i modele pomagają badaczom i agencjom dostrzegać wzorce jakości powietrza w różnych stanach, regionach i sezonach pożarowych.

Ta szersza praca dotycząca jakości powietrza obejmuje nowe misje, takie jak TEMPO (Monitoring Emisji Troposferycznych: Monitoring Zanieczyszczeń). Uruchomiona w 2023 roku, TEMPO jest pierwszą misją NASA, która wykorzystuje spektrometr umieszczony w przestrzeni do dostarczania godzinnych pomiarów jakości powietrza w Ameryce Północnej w ciągu dnia. Jej widok jest na tyle wyraźny, że pozwala odróżnić wzorce zanieczyszczeń, w tym ozon przyziemny, w obszarach o powierzchni zaledwie kilku mil kwadratowych, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu do wcześniejszych satelitów.

Razem te możliwości pomagają badaczom i agencjom dostrzegać wzorce ozonu związane z dymem, które w innym przypadku mogłyby być trudniejsze do wykrycia, zwłaszcza w obszarach wiejskich i odległych.

Prace te wskazują również na praktyczne zastosowanie nauki NASA w czasie sezonu pożarowego. Zespół Wanga wykorzystał wsparcie NASA do opracowania FireAQ, systemu wsparcia decyzji, który łączy obserwacje satelitarne, prognozy modeli oraz produkty dotyczące pożarów i aerozoli w cotygodniowych briefingach z lokalnymi i stanowymi urzędnikami ds. jakości powietrza. Celem jest pomoc urzędnikom w dostrzeganiu, gdzie może przemieszczać się zanieczyszczenie związane z dymem i dostarczenie społecznościom lepszych informacji.