DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-025-00901-8
تاريخ النشر: 2025-01-15
المؤلف: Poonam Mangaraj وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تناقش قسم ورقة البحث التأثيرات الصحية الكبيرة لتلوث الهواء في شمال الهند، وخاصة في منطقة العاصمة الوطنية دلهي (NCR)، حيث كانت حرق بقايا المحاصيل (CRB) مساهمًا رئيسيًا في تدهور جودة الهواء الموسمي. ومع ذلك، تشير النتائج الأخيرة إلى أنه بينما انخفضت عدد اكتشافات الحرائق (FDCs) من الأقمار الصناعية في البنجاب وهاريانا بأكثر من 50% من 2015 إلى 2023، ظلت تركيزات الجسيمات الدقيقة (PM 2.5) في دلهي مستقرة. كشفت القياسات المأخوذة من شبكة من 30 جهاز استشعار منخفض التكلفة خلال سبتمبر إلى نوفمبر 2022 و2023 عن مستويات أقل من PM 2.5 في 2023 مقارنة بـ 2022، مما يتماشى مع الانخفاض في FDCs. ومن الجدير بالذكر أن انبعاثات CRB من البنجاب ساهمت فقط بحوالي 14% من إجمالي مستويات PM 2.5 في دلهي-NCR خلال أكتوبر-نوفمبر 2022، مما يشير إلى وجود علاقة ضعيفة بين CRB وتركيزات PM 2.5 في المنطقة.
يسلط القسم الضوء على السياق الأوسع لتلوث الهواء في الهند، حيث ترتبط القضايا الصحية المزمنة مثل مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) والسكتة الدماغية وسرطان الرئة بالتعرض لـ PM 2.5. في عام 2019، كان تلوث الهواء مسؤولًا عن 1.67 مليون وفاة في الهند، مما أثر بشكل كبير على الناتج المحلي الإجمالي للبلاد. تم تنفيذ البرنامج الوطني للهواء النظيف (NCAP) وخطة العمل للاستجابة المتدرجة (GRAP) لمعالجة هذه التحديات، ومع ذلك، فإن النمو الاجتماعي والاقتصادي في دلهي-NCR قد تجاوز تدابير التحكم في التلوث. يتزامن توقيت حصاد الأرز Kharif مع تغير أنماط الطقس التي تفاقم تلوث الهواء، خاصة خلال أشهر الخريف، مما يعقد الجهود لتحسين جودة الهواء في المنطقة.
مقدمة
في هذه الدراسة، قمنا بتحليل التغيرات اليومية والظرفية في الجسيمات الدقيقة (PM 2.5) وأول أكسيد الكربون (CO) عبر دلهي-NCR والمناطق المحيطة خلال فترة حرق الكتلة الحيوية المتوسطة إلى الشديدة من 1 أكتوبر إلى 30 نوفمبر 2023. ومن الجدير بالذكر أن دلهي-NCR شهدت تراكمًا كبيرًا لثاني أكسيد الكربون الليلي من 26 أكتوبر إلى 9 نوفمبر، بينما لوحظت مستويات مرتفعة من PM 2.5 بشكل رئيسي في جنوب غرب البنجاب ووسط هاريانا. أدى حدث هطول الأمطار في 10 نوفمبر إلى انخفاض سريع في تركيزات PM 2.5، والتي ارتفعت بعد ذلك في مساء ديوالي (12 نوفمبر)، مما يبرز التأثير الكبير لانبعاثات الألعاب النارية على جودة الهواء.
كشفت التحليلات أن مستويات CO ظلت مستقرة نسبيًا بسبب عمرها الجوي الأطول مقارنة بـ PM 2.5، مما يشير إلى مصادر انبعاثات مشتركة في المنطقة. وجدت الدراسة أن التغيرات بين النهار والليل في تركيزات PM 2.5 في دلهي-NCR كانت ضئيلة (حوالي 20%)، على الأرجح بسبب الانبعاثات الناتجة عن أنشطة البناء خلال النهار. في المقابل، كانت متوسطات تركيزات CO الليلية أعلى بنحو 67% مقارنة بالنهار في 2023، مع ملاحظة فرق أقل في 2022 يُعزى إلى اختلاف ارتفاعات طبقة الحدود وسرعات الرياح. في المناطق الريفية من البنجاب وهاريانا، لوحظت تغيرات كبيرة بين النهار والليل في PM 2.5 خلال فترات حرق بقايا المحاصيل الشديدة، مما يشير إلى أن هذه المصادر المفتوحة للحرائق تطلق المزيد من PM 2.5 مقارنة بـ CO مقارنة بالانبعاثات الصناعية.
طرق
استخدمت الدراسة أجهزة PM 2.5 المدمجة والمفيدة مع أجهزة استشعار الغاز (CUPI-G) لمراقبة الجسيمات الدقيقة (PM 2.5) ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية وإحداثيات GPS والملوثات الهوائية الرئيسية بما في ذلك أول أكسيد الكربون (CO) وأكاسيد النيتروجين (NO وNO2) بشكل مستمر. استخدمت أجهزة استشعار PM 2.5 تقنيات تشتت الضوء لحساب تركيز الكتلة وتم معايرتها ضد طريقة امتصاص أشعة بيتا (BAM) في جامعتي ناغويا وناغازاكي قبل النشر. تم جمع البيانات بشكل مستمر عبر 30 موقعًا من 2020 إلى 2023، مع التركيز المحدد على موسم حرق بقايا المحاصيل Kharif من 1 سبتمبر إلى 30 نوفمبر.
كانت عملية جمع البيانات فعالة، حيث حققت 97% من الصلاحية لـ PM 2.5 و70% لـ CO، مع حساب المتوسطات الساعية فقط من البيانات الصالحة. أظهرت قياسات PM 2.5 من CUPI-G ارتباطًا قويًا (متوسط $r = 0.94 \pm 0.04$) مع قراءات BAM في السفارة الأمريكية في نيو دلهي، مما يدل على موثوقية أجهزة الاستشعار على الرغم من التباينات المحلية. بينما واجهت قياسات CO تحديات بسبب نقص بيانات مرجعية عالية الجودة، أكدت اختبارات التكرار في 2023 اتساق أداء أجهزة الاستشعار. كشفت اختبارات الحساسية عن تباينات بين الوحدات بنسبة 29% لـ PM 2.5 و21% لـ CO، مما يعزز عمليات ضمان الجودة والسيطرة التي تم تنفيذها قبل النشر الميداني.
النتائج
تشير النتائج إلى أن العلاقة بين حرق بقايا المحاصيل (CRB) في البنجاب وهاريانا وتلوث الهواء بـ PM2.5 في منطقة دلهي-NCR ليست بسيطة، مع استثناءات ملحوظة خلال أحداث معينة في نوفمبر 2022. يكشف تحليل بيانات PM2.5 من السفارة الأمريكية في نيو دلهي، التي تمتد من 2015 حتى الآن، عن ارتباط إحصائي كبير بين متوسط مستويات PM2.5 من سبتمبر إلى نوفمبر وظروف خطر الحرائق (FDC) في البنجاب (معامل بيرسون = 0.35، p = 0.015) وهاريانا (معامل بيرسون = 0.65، p = 0.001). قد يتأثر هذا الارتباط بالعوامل المناخية المشتركة أو التأثير المباشر لـ PM2.5 من أنشطة CRB.
على الرغم من انخفاض بنسبة 24% في مستويات PM2.5 في السفارة الأمريكية خلال السنوات الأولى والأخيرة من القياس، فإن هذا الانخفاض أقل وضوحًا من الانخفاضات الملحوظة في FDCs للبنجاب (49%) وهاريانا (72%). علاوة على ذلك، فإن زيادة بنسبة 20% في مستويات PM2.5 من 2022 إلى 2023 تتناقض مع الانخفاضات الكبيرة في FDCs (31-37%). تشير هذه النتائج إلى أن مصادر الانبعاثات المحلية وتطورات البنية التحتية في دلهي-NCR قد تلعب دورًا أكثر أهمية في جودة الهواء مما كان يُفهم سابقًا. يظل التحليل، الذي يركز على فترة سبتمبر-نوفمبر، غير متأثر بإغلاقات COVID-19، وستستكشف الأقسام اللاحقة التوزيع المكاني لـ PM2.5 باستخدام بيانات من شبكة من أجهزة الاستشعار منخفضة التكلفة لفهم آليات نقل PM2.5 من البنجاب وهاريانا إلى دلهي-NCR بشكل أفضل.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث التغيرات المكانية والزمنية في تركيزات PM 2.5 في منطقة دلهي-NCR، خاصة فيما يتعلق بحرق بقايا المحاصيل (CRB) وعدد اكتشافات الحرائق (FDC) في البنجاب وهاريانا خلال فترات سبتمبر إلى نوفمبر في 2022 و2023. تشير النتائج إلى أن أحداث PM 2.5 الكبيرة في دلهي-NCR كانت مرتبطة بأنشطة CRB، مع حدوث ذروات ملحوظة في تواريخ معينة في نوفمبر 2022. كشفت التحليلات عن تأخير في FDCs في 2023، مما ساهم في ارتفاع مستويات PM 2.5 الأساسية في البنجاب وهاريانا مقارنة بالعام السابق. لعبت الظروف الجوية، بما في ذلك أنماط الرياح وسرعات الرياح المنخفضة، دورًا حاسمًا في تراكم الملوثات ونقلها، حيث ساهمت الهواء الراكد في ارتفاع مستويات PM 2.5 في نوفمبر 2023.
علاوة على ذلك، كانت تنفيذ خطة العمل للاستجابة المتدرجة (GRAP) في دلهي-NCR تهدف إلى التخفيف من تدهور جودة الهواء خلال أحداث التلوث العالية. لاحظت الدراسة وجود ارتباط بين تنفيذ GRAP وانخفاض مستويات PM 2.5، خاصة خلال المرحلة الرابعة من GRAP، التي تم تمديدها في 2023 بسبب استمرار مستويات التلوث العالية. كما تسلط الأبحاث الضوء على قيود الأساليب النمذجة الحالية في محاكاة تركيزات PM 2.5 بدقة، مما يشير إلى أن الانبعاثات المباشرة من CRB في البنجاب وهاريانا قد لا تفسر بالكامل جودة الهواء الملاحظة في دلهي-NCR. يدعو المؤلفون إلى تعزيز الشبكات الرصدية والتعاون الإقليمي لمعالجة الطبيعة العابرة للحدود لتلوث الهواء، مؤكدين على الحاجة إلى استراتيجيات فعالة لتقليل انبعاثات CRB وتحسين جودة الهواء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-025-00901-8
Publication Date: 2025-01-15
Author(s): Poonam Mangaraj et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
The research paper section discusses the significant health impacts of air pollution in northern India, particularly in the Delhi National Capital Region (NCR), where Kharif crop residue burning (CRB) has been a major contributor to seasonal air quality degradation. However, recent findings indicate that while fire detection counts (FDCs) from satellites in Punjab and Haryana have decreased by over 50% from 2015 to 2023, the concentration of fine particulate matter (PM 2.5) in Delhi remained stable. Measurements taken from a network of 30 low-cost sensors during September to November 2022 and 2023 revealed lower PM 2.5 levels in 2023 compared to 2022, aligning with the reduction in FDCs. Notably, CRB emissions from Punjab contributed only approximately 14% to the overall PM 2.5 levels in Delhi-NCR during October-November 2022, suggesting a weak correlation between CRB and PM 2.5 concentrations in the region.
The section highlights the broader context of air pollution in India, where chronic health issues such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD), stroke, and lung cancer are linked to PM 2.5 exposure. In 2019, air pollution was responsible for 1.67 million deaths in India, significantly impacting the country’s GDP. The National Clean Air Programme (NCAP) and the Graded Response Action Plan (GRAP) have been implemented to address these challenges, yet socio-economic growth in Delhi-NCR has outpaced pollution control measures. The timing of Kharif rice harvesting coincides with changing weather patterns that exacerbate air pollution, particularly during the autumn months, complicating efforts to improve air quality in the region.
Introduction
In this study, we analyzed the diurnal and synoptic variability of particulate matter (PM 2.5) and carbon monoxide (CO) across the Delhi-NCR and surrounding regions during a period of medium to intense biomass burning from October 1 to November 30, 2023. Notably, the Delhi-NCR experienced a significant build-up of night-time CO from October 26 to November 9, while elevated PM 2.5 levels were observed primarily in Southwest Punjab and Central Haryana. A rainfall event on November 10 led to a rapid decrease in PM 2.5 concentrations, which subsequently surged on the evening of Diwali (November 12), highlighting the substantial impact of firecracker emissions on air quality.
The analysis revealed that CO levels remained relatively stable due to its longer atmospheric lifetime compared to PM 2.5, suggesting common sources of emissions in the region. The study found that day-night variations in PM 2.5 concentrations in Delhi-NCR were minimal (approximately 20%), likely due to emissions from construction activities during the day. In contrast, average night-time CO concentrations were about 67% higher than during the day in 2023, with a lower difference observed in 2022 attributed to varying boundary layer heights and wind speeds. In rural areas of Punjab and Haryana, significant day-night variations in PM 2.5 were noted during intense crop residue burning periods, indicating that these open burning sources emit more PM 2.5 relative to CO compared to industrial emissions.
Methods
The study employed Compact and Useful PM 2.5 Instruments with Gas Sensors (CUPI-G) to continuously monitor fine particulate matter (PM 2.5), temperature, relative humidity, GPS coordinates, and key air pollutants including carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NO and NO2). The PM 2.5 sensors utilized light scattering techniques for mass concentration calculations and were calibrated against the beta-ray attenuation method (BAM) at Nagoya and Nagasaki Universities prior to deployment. Data were collected continuously across 30 locations from 2020 to 2023, with specific focus on the Kharif CRB season from September 1 to November 30.
Data collection was efficient, achieving 97% validity for PM 2.5 and 70% for CO, with hourly means calculated only from valid data. The CUPI-G PM 2.5 measurements showed a strong correlation (mean $r = 0.94 \pm 0.04$) with BAM readings at the US Embassy in New Delhi, indicating the reliability of the sensors despite local variations. While CO measurements faced challenges due to a lack of high-quality reference data, repeatability tests in 2023 confirmed the sensors’ performance consistency. Sensitivity tests revealed unit-to-unit variations of 29% for PM 2.5 and 21% for CO, further validating the quality assurance and control processes implemented prior to field deployment.
Results
The results indicate that the relationship between crop residue burning (CRB) in Punjab and Haryana and PM2.5 air pollution in the Delhi-NCR region is not straightforward, with notable exceptions during specific events in November 2022. Analysis of PM2.5 data from the US Embassy in New Delhi, which spans from 2015 to the present, reveals a statistically significant correlation between September-November mean PM2.5 levels and the fire danger conditions (FDC) in Punjab (Pearson’s r = 0.35, p = 0.015) and Haryana (Pearson’s r = 0.65, p = 0.001). This correlation may be influenced by shared climatic factors or the direct impact of PM2.5 from CRB activities.
Despite a 24% reduction in PM2.5 levels at the US Embassy over the initial and final years of measurement, this decline is less pronounced than the reductions observed in FDCs for Punjab (49%) and Haryana (72%). Furthermore, a 20% increase in PM2.5 levels from 2022 to 2023 contrasts with significant decreases in FDCs (31-37%). These findings suggest that local emission sources and infrastructure developments in Delhi-NCR may play a more critical role in air quality than previously understood. The analysis, focused on the September-November period, remains unaffected by the COVID-19 lockdowns, and subsequent sections will explore the spatial distribution of PM2.5 using data from a network of low-cost sensors to better understand the transport mechanisms of PM2.5 from Punjab and Haryana to Delhi-NCR.
Discussion
The discussion section of the research paper examines the spatio-temporal variability of PM 2.5 concentrations in the Delhi-NCR region, particularly in relation to crop residue burning (CRB) and fire detection counts (FDC) in Punjab and Haryana during the periods of September to November in 2022 and 2023. The findings indicate that significant PM 2.5 episodes in Delhi-NCR were linked to CRB activities, with notable peaks occurring on specific dates in November 2022. The analysis revealed a delay in FDCs in 2023, which contributed to higher baseline PM 2.5 levels in Punjab and Haryana compared to the previous year. Meteorological conditions, including wind patterns and low wind speeds, played a crucial role in pollutant accumulation and transport, with stagnant air contributing to elevated PM 2.5 levels in November 2023.
Furthermore, the implementation of the Graded Response Action Plan (GRAP) in Delhi-NCR aimed to mitigate air quality deterioration during high pollution events. The study observed a correlation between GRAP enforcement and reductions in PM 2.5 levels, particularly during GRAP Stage IV, which was extended in 2023 due to persistent high pollution levels. The research also highlights the limitations of current modeling approaches in accurately simulating PM 2.5 concentrations, suggesting that the direct emissions from CRB in Punjab and Haryana may not fully account for the observed air quality in Delhi-NCR. The authors advocate for enhanced observational networks and regional cooperation to address the transboundary nature of air pollution, emphasizing the need for effective strategies to reduce CRB emissions and improve air quality.