PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY-Winter können hier giftig sein. Tagelang oder sogar wochenlang legt sich ein dichter Dunst über die Stadt der Skifahrer und Wanderer, weil sich die verschmutzte Luft in einem von Bergen umgebenen Becken festsetzt. Es kann schwierig sein, das nächste Auto auf der Straße zu sehen. Die Zahl der Krankenhausbesuche wegen Lungenentzündung und Asthma steigt, die Schulen setzen die Pausen im Freien aus, und selbst gesunde Einwohner klagen über einen kratzenden Hals und Hustenanfälle.
Meteorologen sagen, das Phänomen, das als Inversion bezeichnet wird, sei leicht zu erklären: Ein Hochdrucksystem schließt kalte Luft in einem Becken ein und legt einen Deckel über die Verschmutzung. Aber die spezifischen Bestandteile des Smogs und wie sie in der Atmosphäre zusammenwirken, waren bisher ein Rätsel. Und der Druck, dieses Rätsel zu lösen, wächst: Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat die Stadt für einen Teil jedes Jahres als „ernsthaften“ Verstoß gegen die Normen für saubere Luft eingestuft und die Behörden des Bundesstaates verpflichtet, einen Plan zur Verringerung der Bedrohung vorzulegen – was ihnen bisher nicht gelungen ist.
Im vergangenen Jahr haben Forscher von sechs Universitäten und mehreren staatlichen und bundesstaatlichen Behörden eine beispiellose Anstrengung unternommen, um die genaue chemische Zusammensetzung und die Quellen der Verschmutzung besser zu verstehen, um die Entwicklung dieses Plans zu unterstützen. Während zweier Inversionswetterlagen, die insgesamt 17 Tage dauerten, sammelten sie Daten von Flugzeugen, Ballons und Bodenstationen.
Das, was sie herausfanden, war in groben Zügen wenig überraschend. Der Dunst bestand größtenteils aus winzigen Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern (PM2,5), die sich in der Lunge festsetzen und zu einem vorzeitigen Tod führen können. Einige der Partikel waren Staub, Rauch oder Ruß, aber etwa drei Viertel bestanden aus Ammoniumnitrat. Ammoniumnitrat entsteht, wenn sich Stickoxide, die von Fahrzeugen, Öfen und Industrieanlagen erzeugt werden, mit Ammoniak verbinden, das typischerweise von landwirtschaftlichen Betrieben ausströmt, die Flüssigdünger auf Ammoniakbasis verwenden oder große Mengen an Tierdung produzieren.
Die Forscher waren jedoch über die gemessenen Mengen an reinem Ammoniak erstaunt, da die landwirtschaftlichen Betriebe in Utah im Winter meist stillstehen. „Wir denken normalerweise nicht daran, dass die Wintermonate besonders ammoniakreich sind“, sagt die Chemikerin Jennifer Murphy von der Universität Toronto in Kanada, die an der Studie beteiligt war. Forscher und Aufsichtsbehörden versuchen nun herauszufinden, warum diese Werte so hoch waren und ob eine Verringerung dieser Emissionen dazu beitragen könnte, die Luft in der von einigen Anwohnern als „Smog Lake City“ bezeichneten Stadt zu säubern.
Trotz seines Vorkommens ist die Rolle des farblosen, scharf riechenden und die Augen vernebelnden Gases bei der tödlichen Luftverschmutzung kaum bekannt. Das liegt zum Teil daran, dass es notorisch schwer zu verfolgen ist. Ammoniakmoleküle sind „klebrig“ und verbinden sich gerne mit anderen Verbindungen, was es für Überwachungsinstrumente schwierig macht, sie zu erfassen. Außerdem kann das Gas eine sehr kurze Lebensdauer haben – manchmal nur ein paar Tage. „Ammoniak ist furchtbar“, sagt der Umweltingenieur Mark Zondlo von der Princeton University. „Es ist wirklich eines der am schlechtesten zu messenden Gase in der Atmosphäre.“
Überall auf der Welt tragen neue boden-, luft- und weltraumgestützte Sensoren dazu bei, die Quellen, Bewegungen und das Schicksal von Ammoniak klarer zu erkennen. Die verbesserte Überwachung erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem einige Länder, darunter das Vereinigte Königreich, die Ammoniakemissionen reduzieren. Andere Länder, darunter die Vereinigten Staaten, haben die Begrenzung der Ammoniakemissionen jedoch nicht zu einer Priorität gemacht, zum Teil wegen der Ungewissheit über die Quellen und der Sorge, dass kostspielige Kontrollen die Luftqualität kaum verbessern könnten. Stattdessen haben sich die Regulierungsbehörden oft dafür entschieden, andere wichtige Smogbestandteile ins Visier zu nehmen, darunter Stickstoff- und Schwefeloxide, die bei der Verbrennung entstehen.
Aber die Konzentration auf Ammoniak wird sich wahrscheinlich noch verstärken. Die weltweiten Emissionen dieses Gases haben sich in den letzten 70 Jahren verdoppelt und werden voraussichtlich weiter ansteigen, vor allem wegen der wachsenden Nachfrage nach chemischen Düngemitteln. Das hat Forscher und Regulierungsbehörden unter Druck gesetzt, die Auswirkungen auf die Luftqualität besser zu verstehen.
Smog füllt eine Straße in der Innenstadt von Salt Lake City im Dezember 2017.
George Frey/REUTERS
In diesem Sommer stand der Atmosphärenwissenschaftler Jeff Collett von der Colorado State University in Fort Collins auf einer Lichtung im Rocky Mountain National Park, umgeben von Instrumenten, die deutlich machten, wie schwierig es ist, Ammoniak zu verfolgen. Andere Luftschadstoffe wie Ozon und Kohlenmonoxid werden im Allgemeinen von Netzwerken automatischer Instrumente überwacht, die Daten in Echtzeit sammeln und weiterleiten. Um Ammoniak zu verfolgen, muss Colletts Team jedoch mehrmals pro Woche eine einstündige Fahrt vom Campus zum Feld unternehmen, um manuell Proben von ihren Instrumenten zu nehmen.
Ein Gerät ist ein einfacher Eimer, der Regenwasser auffängt, das die Forscher analysieren, um festzustellen, wie viel Ammoniak sich im Wasserdampf gebunden hat. Eine andere besteht aus einem Schwamm, der mit einer Säure beschichtet ist, um das Gas zu absorbieren. (Ammoniak, eine Base, reagiert gerne mit Säuren.) Es gibt auch eine säurebeschichtete Glasspirale, die die klebrigen Ammoniakmoleküle aus den Luftproben herausfiltert, bevor sie andere Bestandteile des Feinstaubs abscheidet.
Es ist ein heikler Prozess, aber die Proben sind wichtig für Colletts Bemühungen, zu dokumentieren, wie Ammoniak von landwirtschaftlichen Betrieben im 80 km entfernten Greeley, Colorado, in den Park gelangt, wo der Nährstoff empfindliche Ökosysteme schädigen kann, und nach Denver, wo er zum Smog beiträgt. Die seit 2011 laufenden Arbeiten haben dazu beigetragen, das Bild der Ammoniakquellen und -bewegungen in der Region zu schärfen. Als beispielsweise landwirtschaftliche Gruppen in Colorado argumentierten, dass Golfplätze aufgrund ihres großzügigen Düngemitteleinsatzes eine übermäßige Rolle bei den Ammoniakemissionen spielen, stellte Collett einen Monitor in der Nähe eines örtlichen Golfplatzes auf und zeigte, dass dies nicht stimmte; die landwirtschaftlichen Betriebe waren die größere Quelle. Die Überwachung hat es dem Staat auch ermöglicht, ein System einzurichten, das Landwirte warnt, wenn Wetterbedingungen vorhergesagt werden, die Ammoniak in Richtung Denver treiben, und sie dazu ermutigt, freiwillig den Einsatz von Düngemitteln einzuschränken und Dunghaufen abzudecken.
Frisch vom Bauernhof
Landwirtschaftliche Regionen können große Quellen von Ammoniak (NH3, dunkle Bereiche) sein, besonders während der Wachstumsperiode, wenn der Einsatz von Flüssigdünger hoch ist. Auch Waldbrände (einige gelbe Flächen am oberen Rand der Karte) können Ammoniakfahnen erzeugen.
Andernorts haben andere Überwachungsbemühungen – darunter ein nationales Netzwerk mit 66 Standorten, das von der EPA betrieben wird und alle zwei Wochen Messwerte meldet – ein größeres, kontinentweites Bild gezeichnet, einschließlich der Frage, wie Ammoniakemissionen je nach Wetter und Jahreszeit variieren können. Fortschritte bei der mobilen Überwachung haben es möglich gemacht, Messungen wie die von Collett schneller zu erfassen. Und seit 2008 ermöglichen NASA-Satelliten einen globalen Blick auf die Signatur von Ammoniak in der Atmosphäre. Diese Instrumente helfen den Wissenschaftlern, sich ein vollständigeres Bild von den Ammoniakquellen zu machen, einschließlich der Waldbrände, die schätzungsweise 10 % der weltweiten Ammoniakemissionen verursachen, indem sie die Verbindung aus den Pflanzen freisetzen.
„Vor einem Jahrzehnt hatten wir vielleicht ein Dutzend Langzeitmessungen im ganzen Land und nur ein oder zwei Flugzeugmessungen“, sagt der Atmosphärenchemiker Daven Henze von der Universität von Colorado in Boulder. „Jetzt sind wir in der Lage, regelmäßig Informationen über den Zeitpunkt, das Ausmaß, die Variabilität und die Quellen zu erhalten.“
Wenige Bemühungen zur Bestandsaufnahme von Ammoniak waren jedoch so gründlich wie die, die im Winter 2017 in der Region Salt Lake City durchgeführt wurden. Die beiden Inversionsereignisse, die durch die Boden- und Luftkampagne dokumentiert wurden, dauerten jeweils mehr als eine Woche, und die Forscher waren in der Lage, Beobachtungen in jedem der drei großen Täler der Region zu sammeln: Salt Lake, Cache und Utah.
Bestehende Aufstellungen der Ammoniakquellen in Utah ließen vermuten, dass die Ammoniakwerte in jedem der drei Täler ähnlich sein würden. Tatsächlich stellten die Forscher fest, dass die Werte je nach Region variierten – und dass die Messwerte höher waren als erwartet.
Jetzt arbeiten Murphy und seine Kollegen daran, diese Schwankungen zu verstehen und herauszufinden, woher das Ammoniak kommt. Das Team nutzt ein Netz von Bodenmonitoren in Kombination mit Luftmessungen, um die Ammoniakkonzentrationen in der Stadt zu kartieren. Sie untersuchen Windmuster, um herauszufinden, wie Ammoniak aus nahegelegenen landwirtschaftlichen Gebieten eindringen könnte. Und sie suchen nach Quellen, die möglicherweise übersehen wurden.
Autos in städtischen Gebieten können beispielsweise mehr Ammoniak beitragen als bisher bekannt. In einer kürzlich durchgeführten Studie setzte Zondlo mobile Instrumente ein, die mit Hilfe von Lasern die Ammoniakfahnen messen, die von Fahrzeugen in Städten in den Vereinigten Staaten und China freigesetzt werden. Er fand heraus, dass Fahrzeuge – die Ammoniak als Nebenprodukt ihrer Abgasreinigungskatalysatoren erzeugen – etwa doppelt so viel Ammoniak ausstoßen wie angenommen. „Im Großen und Ganzen waren die Fahrzeuge eine ziemlich kleine Quelle“, stellt er fest. Dennoch könnten die Emissionen eine wichtige Rolle bei der Feinstaubverschmutzung in Städten spielen, sagt er, weil das Ammoniak in unmittelbarer Nähe zu anderen Verbrennungsverbindungen produziert wird, die die Entstehung von PM2,5 begünstigen.
In Utah hoffen die staatlichen Regulierungsbehörden, dass ein besseres Verständnis der Ammoniakquellen von Salt Lake City ihnen helfen wird, bessere Computersimulationen von Luftverschmutzungsereignissen zu erstellen, die der Schlüssel zur Ermittlung von Lösungen sein können. Wenn sich beispielsweise herausstellt, dass Ammoniak von landwirtschaftlichen Betrieben in den Nachbartälern in die Stadt gelangt, könnte der Staat versuchen, diese Quellen einzudämmen, indem er die Landwirte bspw. auffordert, den Einsatz von Düngemitteln einzuschränken, wenn das Wetter für Inversionen geeignet ist. Diese Strategie ist jedoch möglicherweise nicht sinnvoll, wenn sich herausstellt, dass städtische Ammoniakquellen wie Autos eine größere Rolle bei der Entstehung von Smog spielen. „Bei so vielen Faktoren müssen wir das Gesamtbild verstehen“, sagt Murphy.
Die Regulierungsbehörden wollen auch sicher sein, dass potenziell kostspielige Kontrollen in landwirtschaftlichen Betrieben oder anderen Ammoniakquellen einen Nutzen bringen, was bedeutet, dass die chemische Zusammensetzung des Smogs geknackt wird. In den Vereinigten Staaten zum Beispiel haben die bestehenden Luftverschmutzungsvorschriften die Konzentration von Stickoxiden in der Atmosphäre stark reduziert, was bedeutet, dass weniger Moleküle dieser Verbindungen zur Verfügung stehen, um sich mit Ammoniak zu verbinden und Partikel zu bilden. Eine Verringerung der Ammoniakemissionen könnte also in Gebieten, in denen andere Smogbestandteile bereits knapp sind, nicht viel bewirken. In anderen Gebieten hingegen könnte die Unterbindung der Ammoniakfahnen der Schlüssel zur Verringerung der Feinstaubbelastung sein. „Wir sind noch nicht so weit“, sagt Murphy, „dass wir sagen können, dass schwierige Maßnahmen etwas bewirken werden.“
Ganz anders ist die Situation in Europa, wo die Umweltbehörden seit langem ein besonderes Augenmerk auf Ammoniak legen, zum Teil wegen der Bedenken über seine Auswirkungen auf die Ökosysteme. (Ammoniak kann zum Beispiel in Bäche und Flüsse gelangen, wo es für Wasserorganismen giftig sein kann.) Die Wirtschaftskommission für Europa, ein Ableger der Vereinten Nationen, legte 2012 Grenzwerte für Ammoniak fest, und die europäischen Länder haben eine Reihe von Strategien angewandt, um die Gesamtemissionen der Landwirtschaft seit 1990 um 24 % zu senken. Deutschland beispielsweise hat den Einsatz bestimmter Düngemittel pro Hektar begrenzt, und die Niederlande haben finanzielle Anreize für einen effizienteren Einsatz von Düngemitteln geschaffen.
Anfang dieses Jahres hat das Vereinigte Königreich einen weitreichenden Plan zur Verbesserung der Luftqualität vorgestellt, der unter anderem vorsieht, die Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft bis 2030 um 16 % zu senken. Dieser Schritt erfolgte, nachdem die britische Umweltbehörde festgestellt hatte, dass Ammoniak der einzige größere Luftschadstoff ist, der seit 2013 zugenommen hat, und dass die Emissionen aus landwirtschaftlichen Betrieben ohne „dringende Maßnahmen“ weiter ansteigen würden. Dieser Trend bedroht das Bestreben der Regierung, bis 2025 die Zahl der Menschen zu halbieren, die Luft mit PM2,5-Werten einatmen, die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als unsicher eingestuft werden. (Die WHO-Norm für Feinstaub liegt bei 10 Mikrogramm PM2,5 pro Kubikmeter Luft, gemittelt über ein Jahr; die US-Jahresnorm liegt bei 12 µg/m3.)
Um die Ammoniakreduzierung zu erreichen, plant die Regierung, von den Landwirten zu verlangen, den Einsatz von Düngemitteln zu begrenzen und Dunghaufen abzudecken, und sie wird strengere Kontrollen für Molkereibetriebe einführen. Die Landwirtschaftsbranche, die zu dem Plan konsultiert wurde, hat sich weitgehend positiv geäußert. Die Landwirte haben bereits freiwillig ähnliche Schritte unternommen, so die Vertreter der Branche, und sie begrüßten die Pläne der Regierung, bei der Finanzierung der Einführung von Technologien zur Ammoniakkontrolle zu helfen.
Der Schlüssel zur Begrenzung der Emissionen könnte die Bewirtschaftung von Ammoniakquellen in landwirtschaftlichen Betrieben sein, wie zum Beispiel dieser Haufen Hühnermist in Maryland.
EDWIN REMSBERG/ALAMY STOCK PHOTO
Andere Länder mit hohen Ammoniakemissionen sind noch nicht bereit, dem Beispiel des Vereinigten Königreichs zu folgen. China, das bekanntermaßen ein globaler Brennpunkt für Ammoniakemissionen ist, aber über kein zuverlässiges Verzeichnis der Quellen verfügt, hat keine Vorschriften für diese Verbindung. Auch die Vereinigten Staaten tun dies nicht, obwohl die EPA Ammoniak als Vorläufer von PM2,5 betrachtet.
Ein großes Problem für die US-Regulierungsbehörden ist der Mangel an umfassenden Daten über Ammoniakquellen. „Es ist schwer, etwas zu regulieren, wenn man es nicht misst“, sagt Collett. US-Landwirtschaftsverbände haben bisher alle Bemühungen abgelehnt, Landwirte zur Meldung von Ammoniakemissionen zu verpflichten, da dies eine unnötige Belastung darstellen würde. Im Jahr 2013 startete die EPA in Zusammenarbeit mit der Schweinefleisch-, Milch- und Geflügelindustrie eine zweijährige Ammoniak-Überwachungsstudie, an der 24 Standorte in neun Bundesstaaten beteiligt waren. Das Projekt wurde jedoch gestoppt, nachdem wissenschaftliche Berater der Behörde die Qualität der gesammelten Daten kritisiert hatten.
Wenn die EPA Ammoniakvorschriften einführen würde, wäre die Politik wahrscheinlich ein Stolperstein. Landwirtschaftsverbände haben argumentiert, dass, da das Gas viele Quellen hat und über weite Entfernungen verdriftet werden kann, jegliche Kontrollen sorgfältig geplant werden müssten; eine Lösung wäre nicht so einfach wie beispielsweise die Installation eines chemischen Abscheiders in einem Kraftwerk. Sie weisen auch darauf hin, dass die Landwirte bereits freiwillige Maßnahmen zur Begrenzung der Emissionen ergriffen haben, wie z. B. die Verringerung der Menge an Ammoniak-Vorläufersubstanzen im Tierfutter und die Änderung der Düngerbewirtschaftung.
Dennoch könnten die US-Regulierungsbehörden unter Handlungsdruck geraten, wenn Studien aus Salt Lake City und anderswo Beweise dafür liefern, dass Ammoniak ein wichtiger Faktor für die Partikelverschmutzung geworden ist. Und zumindest ein Wissenschaftler glaubt, dass die Antworten eher früher als später kommen könnten – „in Jahren, nicht in Jahrzehnten“, sagt Henze voraus, der in dem Beratungsgremium der EPA sitzt, das sich mit dem Thema befasst. „Die EPA war nicht bereit, den Ball weiterzuspielen, weil die Ungewissheit über Ammoniak so groß war“, sagt er. „Jetzt schieben wir die Ungewissheit beiseite.“