Usługa monitorowania atmosfery programu Copernicus wraz z hiszpańskim Centrum Superkomputerowym w Barcelonie potwierdzają wywołane blokadą redukcje emisji tlenków azotu (NOx) i CO2 z paliw kopalnych w całej Europie podczas pierwszej fali pandemii COVID-19. Wykorzystując sztuczną inteligencję, badanie dostarcza informacje o dziennym podziale emisji sektorowych i przestrzennych, a także informacje na temat udziału poszczególnych krajów i typach zanieczyszczeń.

Usługa monitorowania atmosfery Copernicus (CAMS), wdrożona przez Europejskie Centrum Prognoz Średniozakresowych (ECMWF) na zlecenie Komisji Europejskiej, przy dofinansowaniu ze środków Unii Europejskiej, ujawnia dziś kluczowe informacje dotyczące obliczania redukcji emisji zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych (GHG) w całej Europie podczas pierwszej fali pandemii COVID-19. CAMS stale monitoruje skład atmosfery i jakość powietrza w Europie oraz na całym świecie i już teraz dostarcza informacje w kontekście kryzysu COVID-19 za pośrednictwem specjalnej mikrostrony. W odpowiedzi na zwiększone zapotrzebowanie na ilościowe określenie skutków wprowadzenia środków mających na celu zapobieganiu rozprzestrzeniania się COVID-19, szczególnie w zakresie środowiska i jakości powietrza, CAMS współpracował z Centrum Superkomputerowym w Barcelonie (BSC), aby zapewnić wgląd w redukcję emisji w Europie podczas pierwszej fali.

Badanie dostarcza informacji na temat tego, w jaki sposób obserwowane zmniejszenie stężeń zanieczyszczenia powietrza jest powiązane ze środkami związanymi z COVID-19 i określa ilościowo, o ile emisje odbiegały od oczekiwanego scenariusza „normalnej działalności”, biorąc pod uwagę różne aspekty, takie jak sektory działalności i różnice między krajami. Mimo że mierzone stężenia zanieczyszczeń w atmosferze zmniejszyły się w okresie blokady, dokładne dane były trudne do ustalenia, ponieważ stężenia w atmosferze zależą nie tylko od emisji, ale także od warunków meteorologicznych i innych czynników. Wyniki badania są istotne, ponieważ pokazują dokładny obraz tego, jak bardzo emisje na początku roku odbiegały od oczekiwanych.

Marc Guevara, badacz z Wydziału Nauk o Ziemi w BSC i główny naukowiec BSC w tym badaniu, komentuje: „Ocena, jaki byłby poziom aktywności w przypadku braku pandemii to spore wyzwanie, które zostało rozwiązane dzięki zastosowaniu metod sztucznej inteligencji (AI). Projekt ten odegrał znaczącą rolę nie tylko w ilościowym określeniu wpływu polityki blokowania podczas pandemii COVID-19, ale także bardzo pomógł społeczności naukowej w modelowaniu jakości powietrza”.

Nowy zestaw danych dotyczących szczegółowych zmian emisji podczas pierwszej fali COVID-19 w Europie, w połączeniu z europejskimi danymi dotyczącymi emisji zanieczyszczeń powietrza i gazów cieplarnianych w sieci CAMS, otwiera wiele możliwości modelowania numerycznego.

Vincent-Henri Peuch, dyrektor Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), komentuje: „Jesteśmy bardzo podekscytowani wynikami tego projektu, ponieważ zapewnił on możliwość oszacowania redukcji emisji podczas pierwszego ogólnego okresu blokady w Europie znacznie dokładniej, niż nasze dotychczasowe obliczenia. Zbiór danych pomoże udoskonalić naszą wiedzę na temat zmian stężeń obserwowanych przez czujniki oraz precyzyjniej określi wpływ środków związanych z COVID-19. Pozwoli to również ocenić, w jakim stopniu te tymczasowe zmiany stężeń poprawiły jakość powietrza i zmniejszyły skalę związanych z tym chorób i śmiertelność. Z przyjemnością informuję, że będziemy kontynuować współpracę z BSC, aby naszymi badaniami objąć drugą połowę 2020 r.”

Kluczowe wnioski z badania

Zbiór danych CAMS jest ogólnodostępny i obejmuje okres pięciu miesięcy od 21 lutego 2020 r. do 31 lipca 2020 r. z dziennym przedziałem czasowym, w tym środki zapobiegania COVID-19 w całej Europie, od lekkiego dystansu społecznego do ścisłego zamknięcia. Kluczowe ustalenia obejmują analizy redukcji emisji następujących czynników:

- Poziom sektorowy: Największe spadki emisji odnotowano w lotnictwie i transporcie drogowym
- Wkład na poziomie kraju: Włochy, Francja, Hiszpania, Wielka Brytania i Niemcy są razem największymi udziałowcami całkowitych spadków emisji w UE-28
- Poziom przestrzenny: Największa redukcja emisji wystąpiła na obszarach miejskich i głównych drogach międzymiastowych
- Rozkład zanieczyszczeń: Największy spadek odnotowano w emisji tlenków azotu (NOx) i CO2 z paliw kopalnych

Poziom sektorowy: Największe spadki emisji odnotowano w lotnictwie i transporcie drogowym

Dzienne emisje NOx [t · dzień-1] według sektorów obliczone dla scenariusza normalnego funkcjonowania w 2020 r. (BAU, linia przerywana) i w trakcie COVID-19 (linia ciągła) w okresie od 1 stycznia do 31 lipca 2020 r. dla UE-28. Obszary zaznaczone między dwiema liniami przedstawiają różnice emisji między dwoma scenariuszami. Źródło: usługa monitorowania atmosfery programu Copernicus/ECMWF/BSC

Na poziomie sektorowym największe spadki emisji odnotowano w lotnictwie (-52%) i transporcie drogowym (od -20% do -23% w zależności od zanieczyszczenia). Spadek o podobnej intensywności obserwowano dla obu sektorów na początku pandemii w Europie. Jednakże, podczas gdy emisje lotnicze pozostały prawie niezmienione, emisje z transportu drogowego zaczęły się stopniowo odradzać pod koniec kwietnia i na początku maja­.

Wkład na poziomie kraju: Włochy, Francja, Hiszpania, Wielka Brytania i Niemcy są razem największymi udziałowcami całkowitego spadku emisji w UE-28

Krajowy udział w całkowitych spadkach emisji według zanieczyszczeń w okresie od 1 stycznia do 31 lipca 2020 r. dla wybranych krajów: Niemcy (DEU), Wielka Brytania (GBR), Hiszpania (ESP), Francja (FRA) i Włochy (ITA) oraz reszta UE -28 krajów (reszta UE). Źródło: usługa monitorowania atmosfery programu Copernicus/ECMWF/BSC

Uwzględnienie udziału poszczególnych krajów w całkowitych spadkach emisji pokazuje, że Włochy, Francja, Hiszpania, Wielka Brytania i Niemcy łącznie mają największy udział w całkowitych spadkach emisji w UE-28: 66,7% dla NOx, 60,2% dla CO 59,1% dla NMLZO, 59,2% dla SO2, 65,1% dla PM10, 67,4% dla PM2,5, 65,3% dla NH3, 85,0% dla CH4, 69,2% dla CO2 z paliw kopalnych i 64,1% dla CO2 z biopaliwa. Te pięć krajów nałożyło najsurowsze ograniczenia, a następnie wykazało większy spadek emisji.

Ponadto w grę wchodzi drugi czynnik, a mianowicie udział każdego kraju w całkowitej emisji w UE. Na przykład, pomimo braku najsurowszych środków blokujących, Niemcy są krajem, który wykazuje najwyższe emisje gazów cieplarnianych w całej UE (około 25% całkowitego paliwa kopalnego CO2), a następnie stał się największym uczestnikiem spadku emisji gazów cieplarnianych. Na poziomie krajowym największe względne spadki emisji odnotowano we Włoszech, Hiszpanii i Francji: od -19% do -16% dla NOx i -15% do -12% dla emisji CO2 z paliw kopalnych.

Poziom przestrzenny: Największa redukcja emisji na obszarach miejskich i głównych drogach międzymiastowych

Mapa bezwzględnego skumulowanego spadku emisji NOx [kg · ogniwo -1] między 1 stycznia a 31 lipca 2020 r. w porównaniu ze scenariuszem normalnej działalności (BAU). Źródło: usługa monitorowania atmosfery programu Copernicus/ECMWF/BSC

Pod względem analizy przestrzennej największe ograniczenia emisji wystąpiły na obszarach miejskich i głównych drogach międzymiastowych. Zaobserwowano również pojedyncze i znaczące spadki emisji w przypadku lokalizacji dużych źródeł punktowych. Około 26% całkowitego spadku emisji NOx w UE-28 nastąpiło w skupiskach ośrodków miejskich o dużej gęstości, przy czym udział ten był większy w Wielkiej Brytanii (44,5%), Niemczech (32,8%) i Hiszpanii (32,5%).

Rozkład zanieczyszczeń: największy spadek emisji tlenków azotu (NOx) i CO2 z paliw kopalnych

Dzienne emisje [t · dzień -1] według zanieczyszczeń obliczone dla scenariusza normalnego funkcjonowania na 2020 r. (BAU, linie przerywane) i COVID-19 (linie ciągłe) między 1 stycznia a 31 2020 r. dla UE-28. Obszary zaznaczone między dwiema liniami reprezentują różnice emisji między scenariuszami „jak zwykle” (BAU) i rzeczywistymi (COVID-19). Źródło: usługa monitorowania atmosfery programu Copernicus/ECMWF/BSC

Największy spadek emisji w Europie w okresie od 1 stycznia do 31 lipca 2020 r., przypisany środkom blokującym COVID-19, stwierdzono w przypadku emisji NOx (-13,1%) i CO2 z paliw kopalnych (-10,3%). Dla tych dwóch zanieczyszczeń najbardziej wyraźny spadek emisji odnotowano w kwietniu (-34,0% i -26,8%), kiedy ograniczenia mobilności były maksymalne i pozostawały prawie niezmienione przez cały miesiąc.

Należy zauważyć, że na codzienną ewolucję emisji wpływają nie tylko ograniczenia COVID-19, ale także nieodłączna sezonowość związana z emisjami z każdego sektora zanieczyszczeń. Na przykład emisje PM2,5 i CO2 pochodzące ze spalania drewna w budynkach mieszkalnych zmniejszają się wraz z końcem zimy i wzrostem temperatury zewnętrznej.