Das NASA-Modell zeigt auf, wie sehr sich der Verschmutzungsgrad aufgrund der COVID-19-Sperrungen verändert hat.

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Seit Beginn der COVID-19-Pandemie haben weltraum- und bodengestützte Beobachtungen gezeigt, dass die Erdatmosphäre bei einigen Luftschadstoffen eine erhebliche Verringerung erfahren hat. Die Wissenschaftler wollten jedoch wissen, wie viel dieses Rückgangs auf Veränderungen der menschlichen Aktivitäten während pandemiebedingter Abschaltungen zurückzuführen ist, im Vergleich dazu, wie viel davon in einem pandemiefreien Jahr 2020 aufgetreten wäre.

Anhand von Computermodellen zur Erstellung eines COVID-freien Jahres 2020 zum Vergleich stellten die NASA-Forscher fest, dass die globalen Stickstoffdioxid-Konzentrationen seit Februar durch die Pandemiebeschränkungen um fast 20 % gesunken sind. Die Ergebnisse wurden auf der 2020 International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis vorgestellt.

Stickstoffdioxid ist ein Luftschadstoff, der in erster Linie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht, die von der Industrie und dem Transportwesen genutzt werden – beides wurde während des Höhepunktes der Pandemie erheblich reduziert, um die Ausbreitung des neuartigen Coronavirus zu verhindern.

“Wir alle wussten, dass die Sperrungen Auswirkungen auf die Luftqualität haben würden”, sagte der leitende Autor Christoph Keller von der Universities Space Research Association (USRA) im Goddard Space Flight Center der NASA im Grüngürtel von Maryland. Keller arbeitet in Goddards Global Modeling and Assimilation Office (GMAO), das mit Hilfe von Hightech-Computermodellen die Chemie des Ozeans und der Atmosphäre verfolgt und künftige Klimaszenarien vorhersagt. Er sagt: “Es war auch bald klar, dass es schwierig sein würde, zu quantifizieren, wie viel von dieser Veränderung mit den Sperrmaßnahmen im Vergleich zur allgemeinen Saisonabhängigkeit oder Variabilität der Verschmutzung zusammenhängt.

Keine zwei Jahre sind genau gleich. Normale Schwankungen des Wetters und der atmosphärischen Zirkulation verändern den Aufbau und die Chemie der Erdatmosphäre. Ein Vergleich der Stickstoffdioxid-Konzentrationen von 2020 mit Daten aus 2019 oder 2018 allein würde die Unterschiede von Jahr zu Jahr nicht erklären. Da die Modellprojektionen der NASA jedoch diese natürlichen Schwankungen berücksichtigen, können die Wissenschaftler anhand dieser Prognosen analysieren, wie viel der Veränderung der atmosphärischen Zusammensetzung im Jahr 2020 durch die Eindämmungsmaßnahmen von COVID-19 verursacht wurde.

Selbst mit den Modellen konnten die plötzlichen, drastischen Veränderungen im menschlichen Verhalten nicht vorhergesagt werden, da sich das neuartige Coronavirus – und die Vorschriften, mit denen versucht wurde, es zu kontrollieren – rasch ausbreiteten. Anstatt zu versuchen, ihr Modell mit diesem unerwarteten Ereignis neu zu programmieren, machten Keller und seine Kollegen COVID-19 dadurch verantwortlich, dass sie das Modell die Pandemie völlig ignorieren ließen.

Die Modellsimulation und die Analyse des maschinellen Lernens fanden im NASA-Zentrum für Klimasimulation statt. Sein “Business-as-usual”-Szenario zeigte eine alternative Realitätsversion von 2020 – eine, die keine unerwarteten Veränderungen im menschlichen Verhalten aufgrund der Pandemie erlebte.

Von dort ist es eine einfache Subtraktion. Die Differenz zwischen den im Modell simulierten Werten und den gemessenen Beobachtungen am Boden stellt die Veränderung der Emissionen aufgrund der Pandemie-Reaktion dar. Die Forscher erhielten Daten aus 46 Ländern – insgesamt 5.756 Beobachtungsstandorte am Boden -, die stündliche Messungen der atmosphärischen Zusammensetzung in Beinahe-Echtzeit wiedergeben. Auf Stadtebene zeigen 50 der 61 analysierten Städte Stickstoffdioxid-Reduktionen zwischen 20-50%.

“In gewisser Weise war ich überrascht, wie stark der Rückgang ausfiel”, sagte Keller. “Viele Länder haben in den letzten Jahrzehnten bereits sehr gute Arbeit geleistet, um ihre Stickstoffdioxid-Konzentrationen aufgrund von Luftreinhaltungsvorschriften zu senken, aber unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass es immer noch einen ebenso bedeutenden Beitrag des menschlichen Verhaltens gibt.

Wuhan, China, war die erste Gemeinde, die einen Ausbruch von COVID-19 meldete. Es war auch die erste Gemeinde, die eine Reduzierung der Stickstoffdioxid-Emissionen zeigte – 60 % niedriger als die simulierten erwarteten Werte. Ein 60%iger Rückgang in Mailand und ein 45%iger Rückgang in New York folgten kurz darauf, als ihre lokalen Beschränkungen in Kraft traten.

“Manchmal konnte man den Rückgang des Stickstoffdioxids sogar sehen, bevor die offiziellen Richtlinien in Kraft traten”, sagte Co-Autorin Emma Knowland mit der USRA bei Goddards GMAO. “Wahrscheinlich reduzierten die Menschen ihren Transitverkehr, weil das Gerede über die COVID-19-Bedrohung bereits stattfand, bevor uns tatsächlich gesagt wurde, dass wir schließen sollten. Sobald die Beschränkungen gelockert wurden, ging der Rückgang des Stickstoffdioxids zwar zurück, blieb aber unter den erwarteten “Business-as-usual”-Werten.

Keller verglich seine Schätzungen der Stickstoffdioxid-Rückgänge mit den gemeldeten Wirtschaftszahlen, d.h. den Bruttoinlandsprodukten, der in die Studie einbezogenen Nationen. Gemäss Keller stellten sie sich schockierend gut dar. “Wir würden erwarten, dass sie in einem gewissen Zusammenhang stehen, da Stickstoffdioxid so eng mit wirtschaftlichen Aktivitäten verbunden ist, wie Menschen, die reisen und Fabriken betreiben”, sagte er. “Es sieht so aus, als würden unsere Daten dies sehr gut erfassen.”.

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