Stringency of COVID-19 Containment Response Policies and Air Quality Changes: A Global Analysis across 1851 Cities

Air pollution changes due to COVID-19 lockdowns and attributable mortality changes in four countries

COVID-19 lockdowns reduced nitrogen dioxide (NO2) and fine particulate matter (PM2.5) emissions in many countries. We aim to quantify the changes in these pollutants and to assess the attributable changes in mortality in Jiangsu, China; California, U.S.; Central-southern Italy; and Germany during COVID-19 lockdowns in early 2020. Accounting for meteorological impacts and air pollution time trends, we use a machine learning-based meteorological normalization technique and the difference-in-differences approach to quantify the changes in NO2 and PM2.5 concentrations due to lockdowns. Using region-specific estimates of the association between air pollution and mortality derived from a causal modeling approach using data from 2015 to 2019, we assess the changes in mortality attributable to the air pollution changes caused by the lockdowns in early 2020. During the lockdowns, NO2 reductions avoided 1.41 (95% empirical confidence interval [eCI]: 0.94, 1.88), 0.44 (95% eCI: 0.17, 0.71), and 4.66 (95% eCI: 2.03, 7.44) deaths per 100,000 people in Jiangsu, China; California, U.S.; and Central-southern Italy, respectively. Mortality benefits attributable to PM2.5 reductions were also significant, albeit of a smaller magnitude. For Germany, the mortality benefits attributable to NO2 changes were not significant (0.11; 95% eCI: -0.03, 0.25), and an increase in PM2.5 concentrations was associated with an increase in mortality of 0.35 (95% eCI: 0.22, 0.48) deaths per 100,000 people during the lockdown. COVID-19 lockdowns overall improved air quality and brought attributable health benefits, especially associated with NO2 improvements, with notable heterogeneity across regions. This study underscores the importance of accounting for local characteristics when policymakers adapt successful emission control strategies from other regions.

Using Explainable Machine Learning to Interpret the Effects of Policies on Air Pollution: COVID-19 Lockdown in London

Activity changes during the COVID-19 lockdown present an opportunity to understand the effects that prospective emission control and air quality management policies might have on reducing air pollution. Using a regression discontinuity design for causal analysis, we show that the first UK national lockdown led to unprecedented decreases in road traffic, by up to 65%, yet incommensurate and heterogeneous responses in air pollution in London. At different locations, changes in air pollution attributable to the lockdown ranged from -50% to 0% for nitrogen dioxide (NO2), 0% to +4% for ozone (O3), and -5% to +0% for particulate matter with an aerodynamic diameter less than 10 μm (PM10), and there was no response for PM2.5. Using explainable machine learning to interpret the outputs of a predictive model, we show that the degree to which NO2 pollution was reduced in an area was correlated with spatial features (including road freight traffic and proximity to a major airport and the city center), and that existing inequalities in air pollution exposure were exacerbated: pollution reductions were greater in places with more affluent residents and better access to public transport services.

Satellite spectroscopy reveals the atmospheric consequences of the 2022 Russia-Ukraine war

With increasing geopolitical conflicts and climate change, the effects of war on the atmosphere remain unclear, especially the recent large-scale war between Russia and Ukraine. Here, we assess how war affects human emission activities by observing atmospheric nitrogen dioxide (NO₂) using high-resolution satellite spectroscopy. Spatial and temporal responses of atmospheric composition to armed conflict are characterized. Significant decreases in NO₂ concentrations of 10.7-27.3 % occurred in most Ukrainian cities at the beginning of the war, in contrast to dramatic increases in NO₂ concentrations in Russian cities outside the northern border. Anomalous changes in NO₂ were also found in transportation hubs. By excluding the effect of meteorology, the machine learning model indicates that war-induced changes in anthropogenic emissions may account for ∼40 % of the reduction in NO₂ pollution for major cities such as Kyiv. Our study demonstrates that satellites can provide a unique perspective on the atmospheric consequences of humanitarian disasters.

Bedeutung der Gesetzgebung zur Luftreinhaltung in der Prävention umweltbedingter Erkrankungen

Die Luftverschmutzung beispielsweise durch Feinstaub (PM, particulate matter), Stickoxide oder Ozon ist schädlich für die Gesundheit. Bestehende Lungenkrankheiten können sich durch kurzfristig erhöhte Luftbelastung verschlimmern. Langfristige Luftbelastung trägt insbesondere zur Entstehung von kardiorespiratorischen Erkrankungen bei. In Deutschland starben im Jahr 2019 53.000 Menschen vorzeitig aufgrund der Feinstaubbelastung. Die Luftreinhaltung ist eine politische Aufgabe mit großem gesundheitlichem Potenzial. Sie hat in den letzten Jahren wesentlich zur Verbesserung der Luftqualität und damit der Gesundheit beigetragen. In Anbetracht der neuen stringenteren Luftqualitätsleitlinien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind die Behörden und Politiker nun weltweit mit der Frage der Anpassung der Luftreinhalteziele konfrontiert. In Europa prägt die EU-Direktive die Luftreinhalteziele der Mitgliedstaaten. Die Festlegung der Richtwerte obliegt dem EU-Parlament und dem Rat der EU. Das Nichterreichen der gesetzten Ziele ist mit Strafen verbunden. Deshalb besteht die Gefahr, dass erreichbare und weniger ambitionierte Ziele gesetzt werden. Bereits heute liegen die EU-Richtwerte wesentlich höher als jene in den USA oder der Schweiz. Während „nur“ 11 % der Bevölkerung in der EU einer Belastung über dem EU-Grenzwert für Feinstaub PM10 im Jahr 2020 ausgesetzt waren, sind bei Anwendungen der neuen WHO-Leitlinie 71 % der Bevölkerung übermäßigen und gesundheitsgefährdenden Feinstaubwerten ausgesetzt. Zur wichtigsten und erfolgreichsten Maßnahme der Luftreinhaltung zählt die Reduktion der Luftschadstoffe an der Quelle: die Emissionsbegrenzung. Trotz der Energiekrise dürfen Ziele bezüglich Luftreinhaltung und Klimaschutz nicht aus den Augen verloren werden. Wichtig ist, dass der Gesundheitsschutz nicht dem Einzelnen überlassen werden kann. Gesundheitsfachleute haben in der Beratung empfindlicher Patienten im Umgang mit kurzfristig erhöhter Luftschadstoffbelastung eine wichtige klinische Funktion, aber darüber hinaus ist ihre beratende Rolle in der Politik sehr bedeutsam.