PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY-Talvet voivat olla täällä myrkyllisiä. Tämän hiihtäjien ja retkeilijöiden kaupungin ylle laskeutuu päiviksi tai jopa viikoiksi paksu sumu, kun saastunut ilma jää jumiin vuorten ympäröimään altaaseen. Seuraavaa autoa voi olla vaikea nähdä tiellä. Sairaalakäynnit keuhkokuumeen ja astman vuoksi lisääntyvät, koulut keskeyttävät ulkoilun, ja jopa terveet asukkaat valittavat kurkun raapimisesta ja yskäkohtauksista.
Meteorologit sanovat, että ilmiö, jota kutsutaan inversioksi, on helppo selittää: Korkeapainejärjestelmä vangitsee kylmää ilmaa altaaseen, jolloin saasteiden päälle tulee kansi. Mutta savusumun erityiset ainesosat ja niiden vuorovaikutus ilmakehässä ovat olleet jonkinlainen mysteeri. Paineet sen ratkaisemiseksi kasvavat: Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto EPA (Environmental Protection Agency) on arvioinut kaupungin rikkovan ”vakavasti” puhdasta ilmaa koskevia normeja osan vuotta, mikä velvoittaa osavaltion viranomaiset laatimaan suunnitelman uhan vähentämiseksi, mihin he eivät ole toistaiseksi pystyneet.
Viime vuonna kuuden yliopiston sekä useiden osavaltioiden ja liittovaltion virastojen tutkijat käynnistivät ennennäkemättömän ponnistelun, jonka tarkoituksena on ymmärtää paremmin saasteiden täsmällistä kemiallista koostumusta ja lähteitä. He keräsivät tietoja lentokoneista, ilmapalloista ja maa-asemilta kahden, yhteensä 17 päivää kestäneen inversioilmiön aikana.
Havaintojen pääpiirteittäinen sisältö ei ollut suuri yllätys. Sumu koostui enimmäkseen pienistä, halkaisijaltaan alle 2,5 mikronin hiukkasista (PM2,5), jotka voivat jäädä keuhkoihin ja aiheuttaa ennenaikaisen kuoleman. Osa hiukkasista oli pölyä, savua tai nokea, mutta noin kolme neljäsosaa koostui ammoniumnitraatista. Sitä muodostuu, kun ajoneuvojen, uunien ja teollisuuslaitteiden tuottamat typen oksidit yhdistyvät ammoniakkiin, joka tyypillisesti haihtuu maatiloilta, jotka käyttävät ammoniakkipohjaisia nestemäisiä lannoitteita tai tuottavat kasoittain karjanlantaa.
Tutkijat olivat kuitenkin hämmästyneitä mittaamistaan puhtaan ammoniakin pitoisuuksista, kun otetaan huomioon, että Utahin maatilat ovat enimmäkseen tyhjillään talvella. ”Emme yleensä pidä talvikuukausia ammoniakin suurina kuukausina”, sanoo tutkimukseen osallistunut kemisti Jennifer Murphy Toronton yliopistosta Kanadasta. Tutkijat ja sääntelyviranomaiset yrittävät nyt selvittää, miksi nämä tasot olivat niin korkeita ja voisiko päästöjen vähentäminen auttaa puhdistamaan ilmaa, jota jotkut asukkaat ovat alkaneet kutsua ”Smog Lake Cityksi”.
Värittömän, kirpeän hajuisen ja silmiä kutkuttavan kaasun rooli tappavassa ilmansaasteessa tunnetaan huonosti sen runsaudesta huolimatta. Osittain se johtuu siitä, että sitä on tunnetusti vaikea jäljittää. Ammoniakkimolekyylit ovat ”tahmeita” ja yhdistyvät innokkaasti muihin yhdisteisiin, minkä vuoksi seurantalaitteiden on vaikea saada niitä kiinni. Kaasun elinikä voi olla hyvin lyhyt – joskus vain muutama päivä. ”Ammoniakki on kamalaa”, sanoo ympäristöinsinööri Mark Zondlo Princetonin yliopistosta. ”Se on todella yksi huonoimmista kaasuista mitattavaksi ilmakehässä.”
Ympäri maailmaa uudet maa-, ilma- ja avaruusanturit auttavat selvittämään ammoniakin lähteitä, liikkeitä ja kohtaloa. Seurannan parantaminen tapahtuu samaan aikaan, kun jotkin valtiot, kuten Yhdistynyt kuningaskunta, pyrkivät vähentämään ammoniakkipäästöjä. Toiset, kuten Yhdysvallat, eivät kuitenkaan ole asettaneet ammoniakin rajoittamista etusijalle, mikä johtuu osittain lähteisiin liittyvästä epävarmuudesta sekä huolista, että kalliilla valvontatoimilla ei ehkä pystytä juurikaan parantamaan ilmanlaatua. Sen sijaan sääntelyviranomaiset ovat usein valinneet kohteeksi muut keskeiset savusumun osatekijät, kuten poltossa syntyvät typen oksidit ja rikki.
Mutta ammoniakkipäästöihin kiinnitetään todennäköisesti yhä enemmän huomiota. Kaasun maailmanlaajuiset päästöt ovat kaksinkertaistuneet viimeisten 70 vuoden aikana, ja niiden ennustetaan edelleen kasvavan, mikä johtuu suurelta osin kemiallisten lannoitteiden kasvavasta kysynnästä. Tämä on painostanut tutkijoita ja sääntelyviranomaisia ymmärtämään paremmin vaikutuksia ilmanlaatuun.
Sumu täyttää keskustan kadun Salt Lake Cityssä joulukuussa 2017.
George Frey/REUTERS
Tänä kesänä ilmakehätutkija Jeff Collett Coloradon valtionyliopistosta Fort Collinsista seisoi Rocky Mountainin kansallispuistossa sijaitsevalla metsäaukiolla mittalaitteiden ympäröimänä, jotka toivat esiin sen, kuinka haastavaa ammoniakin seuranta on. Muita ilman epäpuhtauksia, kuten otsonia ja hiilimonoksidia, seurataan yleensä automaattisten laitteiden verkostoilla, jotka keräävät ja välittävät tietoja reaaliajassa. Mutta seuratakseen ammoniakkia Collettin ryhmän on tehtävä useita kertoja viikossa tunnin mittainen matka kampukselta kentälle keräämään näytteitä käsin laitteista.
Yksi on yksinkertainen ämpäri, joka kerää sadevettä, jota tutkijat analysoivat nähdäkseen, kuinka paljon ammoniakkia on jäänyt vesihöyryyn. Toinen perustuu hapolla päällystettyyn sieneen, joka imee kaasua. (Ammoniakki, joka on emäs, reagoi innokkaasti happojen kanssa.) Käytössä on myös hapolla päällystetty lasikierukka, joka irrottaa tahmeat ammoniakkimolekyylit ilmanäytteistä ennen hiukkasten muiden komponenttien erottamista.
Prosessi on hankala, mutta näytteet ovat elintärkeitä Collettin pyrkimykselle dokumentoida, miten ammoniakki kulkeutuu noin 80 kilometrin päässä Coloradon Greeleyssä sijaitsevilta maatiloilta puistoon, jossa ravinne voi vahingoittaa herkkiä ekosysteemejä, ja Denveriin, jossa se lisää savusumua. Vuodesta 2011 lähtien tehty työ on auttanut tarkentamaan kuvaa alueen ammoniakkilähteistä ja -liikkeistä. Kun esimerkiksi Coloradon maatilaryhmät väittivät, että golfkenttien osuus ammoniakkipäästöistä oli liian suuri, koska ne käyttivät runsaasti lannoitteita, Collett asetti monitorin lähelle paikallista golfkenttää ja osoitti, että tämä ei pitänyt paikkaansa; maatilat olivat suurempi lähde. Seurannan ansiosta osavaltio on myös pystynyt perustamaan järjestelmän, joka varoittaa maanviljelijöitä, kun sääolosuhteiden ennustetaan työntävän ammoniakkia kohti Denveriä, ja rohkaisee heitä vapaaehtoisesti rajoittamaan lannoitteiden käyttöä ja peittämään lantakasat.
Fresh off the farm
Viljelyalueet voivat olla merkittäviä ammoniakkilähteitä (NH3, tummia alueita) erityisesti kasvukauden aikana, kun nestemäisiä lannoitteita käytetään paljon. Myös maastopalot (joitakin keltaisia alueita lähellä kartan yläosaa) voivat synnyttää yhdistettä.
Muualla muualla muut seurantatoimet – mukaan luettuna EPA:n ylläpitämä 66 toimipisteen valtakunnallinen verkosto, joka raportoi mittaustulokset kahden viikon välein – ovat piirtäneet laajemman, koko mantereen laajuisen kokonaiskuvan, mukaan luettuna se, miten ammoniakkipäästöt voivat vaihdella sää- ja vuodenaikojen mukaan. Liikkuvan seurannan kehittyminen on mahdollistanut Collettin mittausten kaltaisten mittausten nopeamman keräämisen. Vuodesta 2008 lähtien NASA:n satelliitit ovat antaneet maailmanlaajuisen kuvan ammoniakin vaikutuksesta ilmakehään. Tällaiset välineet auttavat tutkijoita muodostamaan täydellisemmän kuvan ammoniakin lähteistä, mukaan lukien maastopalot, joiden arvioidaan tuottavan 10 prosenttia maailman ammoniakkipäästöistä vapauttamalla yhdistettä kasveista.
”Kymmenen vuotta sitten meillä oli ehkä kymmenkunta pitkäaikaista mittausta eri puolilla maata ja vain yksi tai kaksi lentokonemittausta koskaan”, sanoo ilmakehäkemisti Daven Henze Coloradon yliopistosta Boulderissa. ”Nyt pystymme saamaan säännöllisesti tietoa ajoituksesta, suuruudesta, vaihtelusta ja lähteistä.”
Vähän moni ammoniakin inventointipyrkimys on kuitenkin ollut yhtä perusteellinen kuin Salt Lake Cityn alueella talvella 2017 tehty. Maa- ja ilmakampanjan dokumentoimat kaksi inversiotapahtumaa kestivät kumpikin yli viikon, ja tutkijat pystyivät keräämään havaintoja jokaisesta alueen kolmesta suuresta laaksosta: Salt Laken, Cachen ja Utahin laaksoista.
Olemassa olevat laskelmat Utahin ammoniakkilähteistä viittasivat siihen, että ammoniakkipitoisuudet olisivat samankaltaisia jokaisessa kolmessa laaksossa. Itse asiassa tutkijat havaitsivat, että tasot vaihtelivat maantieteellisesti – ja että lukemat olivat korkeammat kuin he odottivat.
Nyt Murphy ja liittolaistutkijat pyrkivät ymmärtämään tätä vaihtelua ja selvittämään, mistä ammoniakki on peräisin. Ryhmä käyttää maanpäällisten seurantalaitteiden verkostoa yhdistettynä ilmamittauksiin kartoittaakseen ammoniakkipitoisuuksia kaupungin sisällä. He tutkivat tuulikuvioita nähdäkseen, miten ammoniakkia saattaa kulkeutua läheisiltä maatalousalueilta. Lisäksi he etsivät lähteitä, jotka ovat saattaneet jäädä huomiotta.
Esimerkiksi kaupunkialueiden autot saattavat aiheuttaa enemmän ammoniakkia kuin aiemmin on ymmärretty. Eräässä hiljattain tehdyssä tutkimuksessa Zondlo käytti lasereita käyttäviä liikkuvia mittalaitteita mittaamaan ajoneuvojen päästämiä ammoniakkipölyjä Yhdysvaltojen ja Kiinan kaupungeissa. Hän havaitsi, että ajoneuvot, jotka tuottavat ammoniakkia päästöjä puhdistavien katalysaattoriensa sivutuotteena, päästivät ammoniakkia noin kaksi kertaa niin paljon kuin oletettiin. ”Suuressa mittakaavassa ajoneuvot olivat melko pieni lähde”, hän toteaa. Hän sanoo, että päästöillä voi silti olla merkittävä rooli kaupunkien hiukkaspäästöissä, koska ammoniakkia tuotetaan lähellä muita polttoyhdisteitä, jotka aiheuttavat PM2.5 -hiukkasten syntymistä.
Utahissa osavaltion sääntelyviranomaiset toivovat, että Salt Lake Cityn ammoniakkilähteiden parempi ymmärtäminen auttaa heitä laatimaan parempia tietokonesimulaatioita ilmansaasteista, jotka voivat olla ratkaisujen löytämisen kannalta keskeisiä. Jos esimerkiksi käy ilmi, että ammoniakkia kulkeutuu kaupunkiin naapurilaaksojen maatiloilta, osavaltio voisi yrittää hillitä näitä lähteitä – ehkä pyytämällä maanviljelijöitä rajoittamaan lannoitteiden käyttöä – kun sää on kypsä inversioilmiöille. Tämä strategia ei kuitenkaan välttämättä ole järkevä, jos käy ilmi, että kaupunkien ammoniakkilähteet, kuten autot, ovat tärkeämmässä roolissa savusumua aiheuttavan kemian syntymisessä. ”Koska tekijöitä on niin paljon, meidän on ymmärrettävä kokonaiskuva”, Murphy sanoo.
Sääntelyviranomaiset haluavat myös olla varmoja siitä, että maatilojen tai muiden ammoniakkilähteiden mahdollisesti kalliit valvontatoimet tuottavat hyötyjä, mikä tarkoittaa, että savusumun kemiallista koostumusta halkaistaan. Esimerkiksi Yhdysvalloissa nykyiset ilmansaastemääräykset ovat vähentäneet jyrkästi typen oksidien pitoisuuksia ilmakehässä, mikä tarkoittaa, että vähemmän näiden yhdisteiden molekyylejä on käytettävissä yhdistyäkseen ammoniakin kanssa ja muodostaakseen hiukkasia. Ammoniakkipäästöjen vähentämisellä ei siis välttämättä ole suurta merkitystä alueilla, joilla muut savusumun ainesosat ovat jo nyt vähissä. Muilla alueilla ammoniakkipilvien tukahduttaminen voisi kuitenkin olla avainasemassa hiukkasten vähentämisessä. ”Emme ole vielä siinä vaiheessa”, Murphy sanoo, ”että voisimme edes sanoa, että vaikeilla toimenpiteillä olisi vaikutusta.”
Tilanne on hyvin erilainen Euroopassa, jossa ympäristöviranomaiset ovat jo pitkään kiinnittäneet huomiota ammoniakkiin muun muassa sen ekosysteemeihin kohdistuvien vaikutusten aiheuttaman huolen vuoksi. (Ammoniakkia voi esimerkiksi huuhtoutua puroihin ja jokiin, joissa se voi olla myrkyllistä vesieliöille.) Yhdistyneiden Kansakuntien alainen Euroopan talouskomissio asetti ammoniakkirajat vuonna 2012, ja Euroopan maat ovat käyttäneet erilaisia strategioita vähentääkseen maatalouden kokonaispäästöjä 24 prosenttia vuodesta 1990. Esimerkiksi Saksa asetti hehtaarikohtaisia rajoituksia tietynlaisten lannoitteiden käytölle, ja Alankomaissa luotiin taloudellisia kannustimia tehokkaampaan lannoitteiden käyttöön.
Viime vuonna Yhdistynyt kuningaskunta julkisti laajan ilmanlaatusuunnitelman, johon sisältyy suunnitelma vähentää maan maatalouden ammoniakkipäästöjä 16 prosentilla vuoteen 2030 mennessä. Toimenpide tehtiin sen jälkeen, kun Yhdistyneen kuningaskunnan ympäristövirasto oli havainnut, että ammoniakki oli maan ainoa merkittävä ilman epäpuhtaus, joka oli lisääntynyt vuodesta 2013 lähtien, ja että maatilojen päästöt kasvaisivat edelleen ilman ”kiireellisiä toimia”. Tämä suuntaus uhkaa hallituksen pyrkimystä puolittaa vuoteen 2025 mennessä niiden ihmisten määrä, jotka hengittävät ilmaa, jonka PM2,5-pitoisuutta Maailman terveysjärjestö (WHO) pitää vaarallisena. (WHO:n hiukkasnormi on 10 mikrogrammaa PM2,5:tä kuutiometrissä ilmaa vuoden keskiarvona laskettuna; Yhdysvaltojen vuotuinen normi on 12 µg/m3.)
Ammoniakkipäästöjen vähentämiseksi hallitus aikoo vaatia maanviljelijöitä rajoittamaan lannoitteiden levittämistä ja kattamaan lantakasat sekä valvomaan tiukemmin maidontuotantoa. Maatalousala, jota kuultiin suunnitelmasta, on suhtautunut siihen pääosin myönteisesti. Maanviljelijät ovat jo ryhtyneet vapaaehtoisesti vastaaviin toimiin, alan virkamiehet totesivat, ja he suhtautuivat myönteisesti hallituksen suunnitelmiin auttaa rahoittamaan ammoniakin torjuntatekniikoiden käyttöönottoa.
Ammoniakkilähteiden hallitseminen maatiloilla, kuten esimerkiksi tämä kananlantakasa Marylandissa, voisi olla avainasemassa päästöjen rajoittamisessa.
EDWIN REMSBERG/ALAMY STOCK PHOTO
Muut maat, joissa ammoniakkipäästöt ovat suuret, eivät ole vielä valmiita seuraamaan Yhdistyneen kuningaskunnan esimerkkiä. Kiina, jonka tiedetään olevan maailmanlaajuinen ammoniakkipäästöjen polttopiste, mutta jolla ei ole luotettavaa inventaariota lähteistä, ei sääntele yhdistettä. Yhdysvallat ei myöskään sääntele, vaikka EPA pitääkin ammoniakkia PM2,5:n esiasteena.
Yhdysvaltojen sääntelyviranomaisten suurena ongelmana on ammoniakkilähteitä koskevien kattavien tietojen puute. ”On vaikea säännellä jotakin, jos sitä ei mitata”, Collett sanoo. Yhdysvaltalaiset maatalousryhmät ovat toistaiseksi torjuneet pyrkimykset vaatia maanviljelijöitä raportoimaan ammoniakkipäästöistä, koska se olisi tarpeettoman työlästä. EPA käynnisti vuonna 2013 yhteistyössä sianliha-, maito- ja siipikarjateollisuuden kanssa kaksivuotisen ammoniakin seurantatutkimuksen, johon osallistui 24 paikkaa yhdeksässä osavaltiossa. Hanke kuitenkin keskeytettiin sen jälkeen, kun viraston tiedeneuvonantajat arvostelivat kerättyjen tietojen laatua.
Jos EPA jatkaisi ammoniakkisäännösten laatimista, politiikka olisi todennäköisesti kompastuskivi. Maatalousryhmät ovat väittäneet, että koska kaasulla on monia lähteitä ja se voi kulkeutua pitkien etäisyyksien päähän, mahdolliset valvontatoimet olisi suunniteltava huolellisesti; korjaus ei olisi yhtä suoraviivaista kuin esimerkiksi kemiallisen pesurin asentaminen voimalaitokseen. Ne huomauttavat myös, että maanviljelijät ovat jo ryhtyneet vapaaehtoisiin toimiin päästöjen rajoittamiseksi, kuten vähentämällä eläinten rehussa käytettävien ammoniakin esiasteiden määrää ja muuttamalla lannan käsittelykäytäntöjä.
Yhdysvaltojen sääntelyviranomaiset voivat silti joutua painostuksen kohteeksi toimimaan, jos Salt Lake Cityssä ja muualla tehdyt tutkimukset tuovat näyttöä siitä, että ammoniakista on tullut merkittävä hiukkaskuormituksen aiheuttaja. Ainakin yksi tiedemies uskoo, että vastauksia saataisiin ennemmin kuin myöhemmin – ”vuosia, ei vuosikymmeniä”, ennustaa Henze, joka istuu asiaa käsittelevässä EPA:n neuvoa-antavassa paneelissa. ”EPA ei ole ollut halukas viemään asiaa eteenpäin ammoniakkiin liittyvän epävarmuuden vuoksi, hän sanoo. ”Nyt olemme pääsemässä epävarmuuden ohi.”