Hoe verwijdert een bos fijn stof uit de lucht?


Thomas Schaubroeck is één van de vijf laureaten voor de Eos Pipet 2015, de award voor de meest beloftevolle wetenschapper in Vlaanderen. Stem voor Thomas in de race om de publieksprijs.

Hoeveel fijn stof verwijdert een bos uit de lucht? Dit is de hamvraag waarover mijn collega’s en ikzelf onze hoofden gebroken hebben. Metingen van exacte hoeveelheden schieten voorlopig nog te kort en we hebben bijgevolg een model ontwikkeld dat een inschatting kan maken.

1. Fijn stof

Fijn stof zijn partikels bestaande uit vloeistof en vaste materialen die in de lucht aanwezig zijn en een diameter kleiner dan een honderdste van een millimeter bezitten. Door hun geringe grootte kunnen sommige van deze partikels via de longen opgenomen worden in de bloedbaan en zo mogelijk deze doen dichtslibben, wat kan leiden tot hartstilstand en hersentrombose. Concentraties in Vlaanderen zijn gemiddeld gezien ongeveer dubbel zo hoog als deze toegelaten door de Wereldgezondheidsorganisatie; een Vlaming wordt ingeschat ongeveer 1 jaar minder lang te leven door fijn stof in de lucht (VMM). Daarnaast is de samenstelling ervan heel uiteenlopend, van roet (autoverkeer) tot zout (afkomstig van de zee), maar merendeel in Vlaanderen is van menselijke/industriële afkomst. Deze compositie speelt ook een rol qua schadelijkheid. Fijn stof wordt ingedeeld in verschillende groottes en kleinere partikels worden als schadelijker beschouwd. Qua notatie spreekt men van PMX (acroniem van het Engelse particulate matter), wat staat voor fijn stof kleiner dan x µm, bv. PM2.5 is fijn stof met een diameter kleiner dan 2.5 µm (1 µm =0.001 mm). De verwijdering van 1 kg PM2.5 uit lucht komt overeen met een ingeschatte besparing van 150 euro gezondheidskosten.

Verkeer - Fijn stof - Haar

De grootte van fijn stof (Bron)

De schadelijkheid van fijn stof voor planten is minder onderzocht. Weliswaar werd aangetoond dat deze de waslaag beschadigen en zo mogelijks tot (te veel) verdamping van water zou leiden, wat deze waslaag initieel moet verhinderen. Verder onderzoek naar andere effecten is nog niet uitgevoerd. Het is niettegenstaande niet allemaal kommer en kwel. Het fijn stof dat op de planten terecht komt, kan ook een bron van nutriënten (bijvoorbeeld stikstof) zijn voor planten, echter dit in geringe mate en waarschijnlijk minder van essentie in Vlaamse gebieden.

2. Hoe verwijdert een boom fijn stof?

Via de wind wordt fijn stof meegevoerd en komt zo terecht op bomen en planten (zie onderstaande figuur); deze filteren op die wijze fijn stof uit de lucht (‘depositie’). Wat planten anders maakt dan gebouwen is dat de lucht tussen de bladeren door kan stromen en zo in contact komt met een groot oppervlak aan naalden/bladen en takken waarop fijn stof kan neerstrijken. De meeste wetenschappelijke studies beschouwen enkel het proces van ‘depositie’, en zien dit als een inschatting van de verwijdering van fijn stof. Maar het verhaal eindigt daar niet voor het fijn stof. Vooraleerst kan de wind ook fijn stof weer van het bladoppervlakte afblazen (‘resuspensie’). Hoe meer fijn stof op de boom en hoe hoger de windsnelheid, hoe meer fijn stof er terug wordt meegenomen in de luchtstroom. Deze processen hangen af van het type boom. Haartjes op de bladeren/naalden houden het fijn stof beter vast. Bomen die hun bladeren verliezen in de winter kunnen dan weliswaar minder fijn stof filteren over het jaar heen.

1271669407Fijn stof (hier voorgesteld als witte partikels) op een bladoppervlak (zwart). 2 µm= 0.002 mm. (foto genomen met elektronenmicroscoop; bron).

Verschillende processen kunnen plaatsvinden op het plantoppervlak met dit fijn stof, waarover men echter nog niet volledig het fijne van weet (verder onderzoek is nodig!). De finale verwijdering, geassocieerd aan deze processen, van fijn stof kan via verschillende manieren gebeuren. De volgende worden omschreven:

  1. Het fijn stof kan opgenomen worden in de waslaag van het blad (‘inkapseling’), dit zijn voornamelijk de kleinere partikels. De waslaag is een dunne laag van was/vet op het blad dat zich vernieuwt. De ingekapselde hoeveelheden worden aangegeven beperkt te zijn voor den.
  2. Daarnaast zou het fijn stof ook opgenomen kunnen worden in het blad zelf (‘incorporatie’), via onder meer de huidmondjes (langs dewelke CO2 opgenomen wordt). Maar hier is nog weinig over geweten. Dit wordt ingeschat laag te zijn.
  3. Het kan echter ook (gedeeltelijk) opgelost worden in het neerslagwater op de plant en daar eventueel verdere (microbiële) processen ondergaan (hier is ook weinig over geweten). Gezien de inerte aard van een aanzienlijk deel van het fijn stof wordt ook aangenomen dat dit aan de lage kant is.
  4. Wat als het meest belangrijk wordt ingeschat is weliswaar de afspoeling van het fijn stof via neerslag naar de bodem toe (afspoeling naar de bodem met regenval), alwaar het samenklit met bodemdeeltjes.

 

Het is dus in feite een complexe verhaal dat nog niet volledig ontrafeld is. Gezien ingeschat word dat verwijdering via afspoeling de belangrijkste is en hier het meest over geweten is, hebben wij dan ons ook gefocust op deze manier van verwijderen.

3. Hoe schat ons model de hoeveelheid fijn stof afgespoeld door neerslag in?

Zoals elk model bestaat dit uit een verzameling van formules maar deze worden hier niet uit de doeken gedaan. Alle processen weergegeven in onderstaande figuur worden in beschouwing genomen en berekend per tijdstap, bijv. per halfuur. Het bos wordt vooraleerst in verschillende horizontale lagen opgedeeld en voor elke laag worden de processen berekend, startend met de bovenste kroonlaag en eindigend met de onderste.

 fijn stof nederlands-kortAangepaste versie van de figuur weergegeven in ons artikel (Schaubroeck et al., 2014)

 

3.1 Windsnelheid

De windsnelheid heeft een belangrijke invloed op de verschillende processen (depositie, resuspensie, waterverdamping). De windsnelheid neemt af van boven naar beneden toe. Hoe meer bladoppervlak, hoe lager de windsnelheid. Voor elke laag wordt deze berekend aan de hand van de hoeveelheid bladoppervlak.

3.2 Waterbalans

Gezien water het fijn stof afspoelt was het ook cruciaal om de hoeveelheid water die van de plant afdrupt te modelleren, daarbij worden de processen aangetoond op bovenstaande figuur in rekening gebracht. Een kroonlaag fungeert als een opslag van water dat bij overschrijding van zijn opslaglimiet, water doet afdruppelen. Per tijdstap (vb. halfuur) wordt bijgehouden hoeveel water er nog op de naalden en takken is per laag.

3.3 Balans fijn stof

Gelijkaardig als bij de waterbalans wordt de hoeveelheid fijn stof per kroonlaag bijgehouden. Naast depositie en resuspensie, kan het fijn stof ook opgenomen worden door het water en via drup van het oppervlakte afspoelen. Het water kan echter verdampen waardoor het fijn stof nog achterblijft. Bovendien wordt verondersteld dat fijn stof opgenomen in het regenwater niet via resuspensie terug terecht kan komen in de windstroom.

3.4 Over de jaren heen

Aangezien een bos groeit, hebben we ons model gelinkt aan een groter model dat bosgroei simuleert, wat het mogelijk maakt om de verwijdering van fijn stof over verschillende jaren heen te calculeren.

4. Toepassing op het grove dennenbos te Brasschaat (Antwerpen)

We hebben ons model toegepast op een grove dennenbos te Brasschaat (Antwerpen). Hiertoe hebben we data verzameld zoals windsnelheid (via de windtoren weergegeven op onderstaande figuur) en concentraties aan fijn stof in de lucht voor de site.

scotspinestandGrove dennenbos te Brasschaat (Antwerpen). Op de foto rechtsboven zie je de meettoren waarmee onder andere de windsnelheid boven het bos gemeten werd.

We bekwamen een ingeschatte jaarlijkse verwijdering van circa 7.5 kg PM2.5 per hectare voor het jaar 2010, equivalent aan een besparing van ongeveer 1100 euro. Trekken we dit door naar alle grove dennenbestanden in Vlaanderen dan komt dit neer op een schatting van 40 miljoen euro bespaarde gezondheidskosten per jaar. Voor de periode 2010-2030 berekenden we bovendien een besparing van 900-1100 euro jaarlijks, rekening houdend met een mogelijke afname in concentraties aan fijn stof. Het is moeilijk om deze resultaten uit te breiden naar andere type bomen en planten aangezien dit type een grote invloed kan hebben op de resultaten. Grove den is bovendien niet de ‘ideale boom’ aangezien andere aspecten geassocieerd met deze boom eerder nadelig zijn, waaronder het versterken van nefaste bodemverzuring.

5. Onderschatting?

De aandachtige lezer heeft opgemerkt dat wij assumpties hebben moeten maken en er beperkingen zijn aan ons model. Bijgevolg zijn bekomen resultaten schattingen en moet men deze met een korrel zout nemen. Daarentegen, aangezien er meerdere mogelijke manieren zijn waarop fijn stof verwijderd kan worden dan de beschouwde, nemen we aan dat dit zelfs onderschattingen zijn. Exacte bepaling van deze hoeveelheden vergt enorm veel tijd en apparatuur. Onze schatting is de beste die er voorlopig is maar er is dus nog werk aan de winkel.

6. Verdere info

Voor meer info, verdere bronnen en diepgaande uitleg verwijs ik naar ons bekroond wetenschappelijk artikel: Schaubroeck, T., Deckmyn, G., Neirynck, J., Staelens, J., Adriaenssens, S., Dewulf, J., Muys, B., Verheyen, K., 2014. Multilayered Modeling of Particulate Matter Removal by a Growing Forest over Time, From Plant Surface Deposition to Washoff via Rainfall. Environ. Sci. Technol. 48, 10785–10794.

Thomas Schaubroeck is één van de vijf laureaten voor de Eos Pipet 2015, de award voor de meest beloftevolle wetenschapper in Vlaanderen. Stem voor Thomas in de race om de publieksprijs.


3 reactie op “Hoe verwijdert een bos fijn stof uit de lucht?”

  1. Geert Van Gestel Beantwoorden | Permalink

    Beste Thomas,
    Reeds verschillende jaren tracht ik vanuit mijn functie binnen de groendienst bij de gemeente Brecht mensen duidelijk te maken hoe waardevol grove dennen zijn en welke impact deze hebben op het fixeren van fijn stof.
    Bij het evalueren van kapaanvragen worden grove dennen daarom als volwaardige hoogstambomen beschouwd en niet als overjaars productie hout.
    Het is echter spijtig dat de grove den in de provincies Antwerpen en Limburg niet algemeen erkent wordt als inheems of op zijn minst als archeofyt.
    Ik hoop dat uw studie verandering brengt in de visie aangaande het belang van naaldbomen en bij uitstek de grove den.
    Ik wens u veel moed en energie toe met uw toekomstig onderzoek.

    Groenten uit Schoten,
    Geert Van Gestel

    • thomas schaubroeck Beantwoorden | Permalink

      Beste Geert,

      Bedankt voor de appreciatie en aanmoediging. Inderdaad de visie 'naaldboom=slecht en loofboom=goed' lijkt me wat te zwart-wit. Grove den verdient volgens mij een plaats in ons bosareaal. De vraag is hoeveel en waar? Daartoe moeten we natuurlijk de zaken in hun context zien:
      - Hoeveel dergelijke bossen zijn er (nodig) op Vlaams niveau? Diversiteit qua boomsoorten is meestal een aanrader (http://www.ugent.be/nl/actueel/persberichten/forbio-biodiversiteit-experiment.htm) en hiermee dient rekening gehouden te worden.
      - Welke bosdiensten zijn het meest van belang op een bepaalde locatie of in een bepaalde regio?

      Beleid speelt een even belangrijke rol als onderzoek. Daarom apprecieer ik uw werk waarbij u de meerwaarde van grove den naar voren brengt (naast die van enkel houtproductie) en moedig ik u ook aan in uw beleidskeuzes.

      met vriendelijke groeten,

      Thomas

      PS: Weet dat het model nog niet toegepast is op andere boomtypes dus het kan zijn dat deze ook goed zijn in de verwijdering van fijn stof. Ik denk weliswaar dat grove den een betere leerling van de klas is doordat hij zijn fijne naalden niet verliest tijdens de winter en op basis van preliminaire data die dit onderstrepen.

Een reactie geven