“Smoke is in the air”: hoe vuurwerk de luchtkwaliteit beïnvloedt Teach article

Vertaald door Piet Das. Realiseer je je, dat vuurwerk een meetbare luchtverontreiniging veroorzaakt? Tim Harrison en Dudley Shallcross van Bristol University, Groot-Brittannië (GB), leggen uit hoe je in de klas onderzoek kunt doen met stoffen die luchtverontreiniging veroorzaken.

Of het nu met Nieuwjaar, op Guy Fawkes nacht of met Diwali is, de meesten van ons hebben wel eens het afsteken van vuurwerk meegemaakt en herinneren zich de explosies en de fonteinen van gekleurd licht. Maar wat vinden we van de zwavelhoudende rook? Geleerden met kennis van de atmosfeer hebben laten zien, dat vuurwerk de luchtkwaliteit beïnvloedt gedurende enige tijd nadat de knallen en flitsen voorbij zijn.

Na de jaarlijkse Guy Fawkes nacht in GB zijn verhoogde hoeveelheden deeltjes (rook of roet) gevonden, die ontstaan zijn bij de verbranding van vuurwerk en ook grote hoeveelheden metaalionen zoals magnesium die direct van het vuurwerk komen. Vuurwerk afsteken is ook in verband gebracht met verhoogde aanwezigheid van andere moleculen zoals stikstofdioxide (NO₂) en zwaveldioxide (SO₂). SDit soort waarnemingen werden gedaan tijdens en na een Diwali festival in Hisar City, India, in november 1999; in Mainz, Duitsland, tijdens de nieuwjaarsfeesten in 2004/2005; tijdens het Lantaarn festval in Peking, China in 2006 en in Milaan, Italië, in de nacht nadat Italië de wereldcup voetbal won in 2006 (Drewnick et al., 2006; Ravindra et al. 2003; Vecchi et al., 2008; Wang et al., 2007).

Luchtkwaliteit onderzoeken op school

Je kunt ook samen met je leerlingen het effect van vuurwerk op de luchtkwaliteit uitzoeken. In GB werkten we met leerlingen uit het voortgezet onderwijs om de invloed van Guy Fawkes nacht op de luchtkwaliteit te onderzoeken (zie Met dank aan). Het project was een introductie op het gebruik van databases voor luchtkwaliteit- die een breed scala metingen van verontreinigende stoffen bevatten, een schatkist van gegevens om in school te gebruiken- maar ook een kans om in school echt onderzoek te doen.

Luchtkwaliteit kan aansluiten bij veel schoolvakken. De schei- en natuurkunde van vuurwerk bevat een aantal interessante onderwerpen, zoals verbranding, geluid, licht en de verontreinigende stoffen die vrij kunnen komen. Het kan ook de basis vormen voor een verdiepende discussie over de aard van luchtverontreiniging; wat veroorzaakt het en over effecten zoals zure regen en klimaatverandering. Deze laatste effecten zijn onderwerpen die bij biologie-, gezondheids- en aardrijkskundelessen behandeld worden. De analyse van gegevens is erg interessant om wiskunde- en ICTlessen te verlevendigen.

Informatie over de belangrijkste verontreinigende stoffen veroorzaakt door vuurwerk, en ook bijzonderheden van de scheikunde van vuurwerk kunnen worden gedownload van de Science in School website^w1. Verdere bijzonderheden over de meer algemene oorzaken van luchtverontreiniging kunnen gedownload worden van de UK-AIR website^w2.

Databases

Je zult een algemeen toegankelijke luchtkwaliteitsdatabase nodig hebben, die op zijn minst dagelijkse metingen levert voor de locatie die je wilt bestuderen. Het luchtkwaliteitsarchief ^w2 in GB bevat data die elk uur zijn gemeten voor een scala aan chemische stoffen; primair verontreinigende stoffen (die direct zijn uitgestoten) waaronder NO, NO₂, CO en SO₂; koolwaterstoffen en fijnstof; en secundair verontreinigende stoffen (die ontstaan uit primair verontreinigende stoffen) zoals ozon. De data zijn verzameld op 186 plaatsen verspreid over GB, variërend van meetapparatuur langs wegen tot dunbevolkte gebieden om daar de achtergrondhoeveelheden te meten. In sommige gebieden is gemeten sinds het midden van de 70-er jaren, waarbij een ongelofelijke hoeveelheid data is opgeslagen.

De auteurs willen graag samenwerken met elke groep studenten die bepaalde onderdelen van de luchtkwaliteitsdata van GB wil interpreteren.

Voor Malta, is er de database van de “Malta Environment and Planning Authority^w3 die data bevat over CO, NO, NO₂ en O₃.

Als je data wil analyseren van een ander Europees land, zul je de AirBase^w4, de luchtkwaliteitsdatabank die wordt onderhouden door het Europees Milieuagentschap (EMA), als nuttig bron beschouwen, omdat het metingen bevat voor de meeste Europese landen. Let op: de files zijn erg groot zodat het een tijdje kan duren om ze te downloaden en ze zijn minder goed te begrijpen dan de databanken van GB en Malta.

Onze resultaten

Wij analyseerden de hoeveelheden fijnstof (particulate matter –PM-) op alle plaatsen waar ze zijn gemeten in GB rond Guy Fawkes nacht in 2009. Fijnstof bestaat uit vaste of vloeibare deeltjes die fijn verdeeld in een gas zitten. Ze worden gecatalogiseerd naar hun grootte als PM₁₀ diameter 10 µm of kleiner), PM_2.5 of kleiner), PM₁ 1 µm of kleiner) en ultrafine (0.1 µm of kleiner). De verbranding van vuurwerk geeft een scala aan deeltjesgroottes, maar hoofdzakelijk kleinere roetdeeltjes (b.v. PM_2.5) terwijl vreugdevuren (b.v. paasvuren) grotere deeltjes kunnen vormen. Fijnstof ontstaat ook in de bouw en in de metaalindustrie en er zijn natuurlijke bronnen zoals pollen, zeezout en door de wind weggeblazen aarde. Toegenomen hoeveelheden van deze deeltjes in de lucht zijn waarschijnlijk de oorzaak van hart- en vaatziekten en aandoeningen van de luchtwegen; kleinere deeltjes zijn bijzonder ongezond omdat ze dieper in de luchtwegen kunnen doordringen. Fijnstof heeft ook een belangrijk effect op het klimaat: roetdeeltjes warmen het klimaat op, terwijl reflecterende deeltjes de neiging hebben het af te koelen.

Als voorbeeld (figuur 1), laten we PM_2.5 en PM₁₀ niveaus zien van het centrum van Reading, een universiteitsstad in het zuiden van het Verenigd Koninkrijk. Hoewel Guy Fawkes nacht eigenlijk op 5 november is, wordt het vaak gevierd in het dichtstbijzijnde weekend. Deze gegevens van 5-9 november 2009 laten zien dat de hoeveelheden deeltjes het grootst was op de avond van 7 november (een zaterdag). Door deze gegevens te vergelijken met het jaargemiddelde van 2009, ontdekten we dat de hoeveelheden op die zaterdag waren verhoogd met een factor van maximaal zeven (zie figuur 1).

Omdat PM_2.5 alle metingen bevat van de deeltjes met een doorsnede van 2,5 micrometer of kleiner en de PM₁₀ en PM_2.5 hoeveelheden nagenoeg hetzelfde zijn, waren de meeste deeltjes die ontstonden klein – en vooral slecht voor de luchtwegen. Het is heel moeilijk om een veilig niveau voor blootstelling van deeltjes vast te stellen, maar op dit moment is de grens voor PM₁₀ in Europa een jaarlijkse concentratie van 40 μg/m³, een dagelijkse concentratie van 50μg/m³, en die mogen niet vaker worden overschreden dan 35 keer per kalenderjaar (daarom de jaarlijkse mac-waarde genoemd). Het gemiddelde van de nacht van 7 november was 34,7 34.7 μg/m³, wat minder is dan de jaarlijkse mac-waarde, maar veel hoger dan het gemiddelde van 2009. Op andere plaatsen in GB, ontdekten we dat het PM₁₀-niveau werd overschreden op die dag.

Onderzoek

Deze databases bieden een schat aan mogelijke vragen die op school bestudeerd kunnen worden, met daarbij voorbeelden die in geen geval beperkt hoeven worden tot door vuurwerk ontstane verontreinigingen. Bijvoorbeeld:

• Breng de hoeveelheden in kaart van de verschillende verontreinigende stoffen voor, tijdens en na een vuurwerk (bv Nieuwjaar). Welke verontreinigende stoffen zie je het eerst pieken? Waarbij duurt het langer om te pieken? Veranderen de hoeveelheden van alle gemeten verontreinigingen? Waarom wel / niet?
• Vergelijk het niveau van specifieke verontreinigende stoffen (bijv. koolmonooxide) tussen steden en platteland, met behulp van gegevens van verschillende locaties die opgeslagen zijn in de database. Welke verklaringen kun je vinden voor wat je waarneemt?

• Welke verschillen zijn er in ozonconcentratie op verschillende locaties en op verschillende tijdstippen van de dag?
• In Europa is de overheersende wind westelijk. Kun je een patroon ontdekken in de luchtkwaliteit van oost naar west?

Met dank aan

De auteurs willen de volgende docenten en studenten bedanken voor hun hulp bij de luchtkwaliteitsstudie in GB: Dr Oznur Kemal (docent), Sophie Danby, Marta Tondera, Kelly Lam Ho, Candice Chan Ting Yan, Boni Chau Bo, Jenny Chow Kar Yee, Christine Fong Chi, Sophie Hawkins, Charlotte Hooper, Annabelle Fricker, Siobhan Stewart en Emma Tremewan, van Leweston School Dorset; Naomi Shallcross, Beth Shallcross and Esther Shallcross van Gordano School, Portishead; John Jones (docent), Beth Jones en Cat Wood van Cheltenham College, Cheltenham.