PIERCING THE HAZE

SALT LAKE CITY-L’inverno può essere tossico qui. Per giorni o addirittura settimane, una densa foschia si deposita su questa città di sciatori ed escursionisti, poiché l’aria inquinata rimane intrappolata in un bacino circondato da montagne. Può essere difficile vedere la prossima auto sulla strada. Le visite all’ospedale per la polmonite e l’asma aumentano, le scuole sospendono la ricreazione all’aperto, e anche i residenti sani si lamentano della gola graffiante e delle crisi di tosse.

I meteorologi dicono che il fenomeno, noto come inversione, è facile da spiegare: Un sistema di alta pressione intrappola l’aria fredda nel bacino, mettendo un coperchio sull’inquinamento. Ma gli ingredienti specifici dello smog, e come interagiscono nell’atmosfera, sono stati una specie di mistero. E c’è una crescente pressione per risolverlo: La U.S. Environmental Protection Agency (EPA) ha giudicato la città in violazione “grave” degli standard di aria pulita per una parte di ogni anno, obbligando i funzionari statali a presentare un piano per ridurre la minaccia – cosa che finora non sono stati in grado di fare.

L’anno scorso, nel tentativo di aiutare a sviluppare quel piano, i ricercatori di sei università e diverse agenzie statali e federali hanno lanciato uno sforzo senza precedenti per capire meglio la composizione chimica precisa e le fonti di inquinamento. Durante due inversioni che sono durate in totale 17 giorni, hanno raccolto dati da aerei, palloni e stazioni di terra.

I tratti generali di ciò che hanno trovato non sono stati una sorpresa. La foschia era composta principalmente da particelle minuscole, meno di 2,5 micron di diametro (PM2.5), che possono depositarsi nei polmoni e contribuire alla morte prematura. Alcune delle particelle erano polvere, fumo o fuliggine, ma circa tre quarti erano costituiti da nitrato di ammonio. Si forma quando gli ossidi di azoto prodotti da veicoli, forni e attrezzature industriali si combinano con l’ammoniaca, che tipicamente si diffonde dalle fattorie che utilizzano fertilizzanti liquidi a base di ammoniaca o producono cumuli di letame animale.

I ricercatori sono stati sorpresi, tuttavia, dai livelli di ammoniaca pura che hanno misurato, dato che le fattorie dello Utah sono per lo più inattive in inverno. “Non pensiamo tipicamente ai mesi invernali come a mesi importanti per l’ammoniaca”, dice la chimica Jennifer Murphy dell’Università di Toronto in Canada, che ha partecipato allo studio. I ricercatori e le autorità di regolamentazione stanno ora cercando di capire esattamente perché questi livelli erano così alti, e se il taglio di queste emissioni potrebbe aiutare a ripulire l’aria su quello che alcuni residenti sono arrivati a chiamare “Smog Lake City.”

Nonostante la sua abbondanza, il ruolo del gas incolore, dall’odore pungente e che fa piangere gli occhi nell’inquinamento atmosferico mortale è poco compreso. In parte, questo perché è notoriamente difficile da tracciare. Le molecole di ammoniaca sono “appiccicose” e si combinano volentieri con altri composti, rendendo difficile per gli strumenti di monitoraggio catturarle. E il gas può avere una vita molto breve, a volte solo pochi giorni. “L’ammoniaca è terribile”, dice l’ingegnere ambientale Mark Zondlo dell’Università di Princeton. “È veramente uno dei peggiori gas da misurare nell’atmosfera”

In tutto il mondo, nuovi sensori a terra, nell’aria e nello spazio stanno aiutando a mettere meglio a fuoco le fonti, i movimenti e il destino dell’ammoniaca. Il miglioramento del monitoraggio arriva mentre alcune nazioni, tra cui il Regno Unito, si stanno muovendo per ridurre le emissioni di ammoniaca. Ma altri, compresi gli Stati Uniti, non hanno fatto della limitazione dell’ammoniaca una priorità, in parte a causa dell’incertezza che circonda le fonti, così come le preoccupazioni che i controlli costosi potrebbero fare poco per migliorare la qualità dell’aria. Invece, i regolatori hanno spesso optato per colpire altri ingredienti chiave dello smog, compresi gli ossidi di azoto e lo zolfo creati dalla combustione.

Ma l’attenzione sull’ammoniaca è destinata a intensificarsi. Le emissioni globali di questo gas sono raddoppiate negli ultimi 70 anni e si prevede che continueranno ad aumentare, in gran parte a causa della crescente domanda di fertilizzanti chimici. Questo ha messo pressione su ricercatori e regolatori per capire meglio le implicazioni per la qualità dell’aria.

Questa estate, lo scienziato atmosferico Jeff Collett della Colorado State University di Fort Collins si trovava in una radura del Rocky Mountain National Park circondato da strumenti che evidenziavano quanto sia difficile tracciare l’ammoniaca. Altri inquinanti dell’aria, come l’ozono e il monossido di carbonio, sono generalmente monitorati da reti di strumenti automatizzati che raccolgono e trasmettono dati in tempo reale. Ma per tracciare l’ammoniaca, il team di Collett deve fare un viaggio di un’ora dal campus al campo più volte alla settimana per raccogliere manualmente i campioni dai loro strumenti.

Uno è un semplice secchio che raccoglie l’acqua piovana, che i ricercatori analizzano per vedere quanta ammoniaca è rimasta intrappolata nel vapore acqueo. Un altro si basa su una spugna rivestita con un acido per assorbire il gas. (L’ammoniaca, una base, reagisce avidamente con gli acidi.) C’è anche una spirale di vetro rivestita di acido, che spoglia le molecole di ammoniaca appiccicose dai campioni d’aria prima di separare gli altri componenti del particolato.

È un processo pignolo, ma i campioni sono vitali per lo sforzo di Collett di documentare come l’ammoniaca va alla deriva dalle fattorie a circa 80 chilometri di distanza a Greeley, Colorado, nel parco, dove il nutriente può danneggiare gli ecosistemi sensibili, e a Denver, dove contribuisce allo smog. Il lavoro, in corso dal 2011, ha contribuito ad affinare il quadro delle fonti e dei movimenti di ammoniaca della regione. Per esempio, quando i gruppi di agricoltori del Colorado hanno sostenuto che i campi da golf stavano giocando un ruolo eccessivo nelle emissioni di ammoniaca a causa del loro uso liberale di fertilizzanti, Collett ha attaccato un monitor vicino a un campo da golf locale e ha dimostrato che non era corretto; le fattorie erano la fonte maggiore. Il monitoraggio ha anche permesso allo stato di stabilire un sistema che avverte gli agricoltori quando si prevede che le condizioni meteorologiche spingeranno l’ammoniaca verso Denver, incoraggiandoli a limitare volontariamente le applicazioni di fertilizzanti e a coprire i cumuli di letame.

Fresco dalla fattoria

012345Parti per miliardo in volumeLa crescente domanda di fertilizzanti chimici ha causato un aumento drammatico della produzione globale di NH3.6781946NH3 a livello del suolo da aprile a settembre 2013Mercato fertile20161956196819801992200420406080100Milioni di tonnellate di azoto120140160

Altrove, altri sforzi di monitoraggio – tra cui una rete nazionale di 66 siti gestita dall’EPA che riporta le letture ogni 2 settimane – hanno dipinto un quadro più grande, a livello continentale, compreso come le emissioni di ammoniaca possono variare in base al tempo e alla stagione. I progressi nel monitoraggio mobile hanno reso possibile raccogliere più rapidamente misurazioni come quella di Collett. E dal 2008, i satelliti della NASA hanno fornito uno sguardo globale alla firma dell’ammoniaca nell’atmosfera. Tali strumenti stanno aiutando gli scienziati ad assemblare un quadro più completo delle fonti di ammoniaca, compresi gli incendi, che si stima producano il 10% delle emissioni globali di ammoniaca rilasciando il composto dalle piante.

“Un decennio fa, avevamo forse una dozzina di misurazioni a lungo termine in tutto il paese, e solo una o due misurazioni aeree in assoluto”, dice il chimico atmosferico Daven Henze della University of Colorado a Boulder. “Ora, siamo in grado di ottenere regolarmente informazioni su tempi, entità, variabilità e fonti.”

Pochi sforzi per inventariare l’ammoniaca, tuttavia, sono stati così approfonditi come quello intrapreso nella regione di Salt Lake City nell’inverno del 2017. I due eventi di inversione documentati dalla campagna di terra e aria sono durati più di una settimana ciascuno, e i ricercatori sono stati in grado di raccogliere osservazioni in ciascuna delle tre valli principali della zona: Salt Lake, Cache e Utah.

I conteggi esistenti delle fonti di ammoniaca dello Utah hanno suggerito che i livelli di ammoniaca fossero simili in ciascuna delle tre valli. In realtà, i ricercatori hanno scoperto che i livelli variavano in base alla geografia e che le letture erano più alte di quanto si aspettassero.

Ora, Murphy e i ricercatori alleati stanno lavorando per capire questa variazione e capire da dove viene l’ammoniaca. Il team sta usando una rete di monitor a terra, combinata con misurazioni aeree, per mappare le concentrazioni di ammoniaca all’interno della città. Stanno esaminando i modelli di vento per vedere come l’ammoniaca potrebbe arrivare dalle vicine aree agricole. E stanno cercando fonti che potrebbero essere state trascurate.

Le auto nelle aree urbane, per esempio, potrebbero contribuire più ammoniaca di quanto precedentemente compreso. In uno studio recente, Zondlo ha utilizzato strumenti mobili che usano laser per misurare i pennacchi di ammoniaca rilasciati dai veicoli nelle città degli Stati Uniti e della Cina. Ha scoperto che i veicoli – che producono ammoniaca come un sottoprodotto delle loro emissioni di pulizia dei convertitori catalitici – emettevano circa il doppio dell’ammoniaca ipotizzata. “Nel grande schema delle cose, i veicoli erano una fonte abbastanza piccola”, nota. Eppure, le emissioni potrebbero giocare un ruolo importante nell’inquinamento da particolato nelle città, dice, perché l’ammoniaca viene prodotta in prossimità di altri composti della combustione che alimentano la creazione di PM2.5.

Nello Utah, i regolatori statali sperano che una migliore comprensione delle fonti di ammoniaca di Salt Lake City li aiuterà a costruire migliori simulazioni al computer di eventi di inquinamento atmosferico, che possono essere fondamentali per identificare soluzioni. Per esempio, se si scopre che l’ammoniaca arriva in città dalle fattorie nelle valli vicine, lo stato potrebbe cercare di frenare queste fonti – magari chiedendo agli agricoltori di limitare l’uso di fertilizzanti – quando il tempo è maturo per le inversioni. Ma questa strategia potrebbe non avere senso se le fonti urbane di ammoniaca, come le automobili, risultassero avere un ruolo maggiore nel guidare la chimica che produce lo smog. “Con così tanti fattori, abbiamo bisogno di capire il quadro completo”, dice Murphy.

Particelle da 2,5 micrometri (μm) possono depositarsi nei polmoni e nel flusso sanguigno, contribuendo alla malattia e alla morte prematura.8-μm rosso sangue cellAgricolo fonti, tra cui ammoniaca (NH3) -based fertilizzanti e letame animale, sono responsabili per una stima 80% al 95% delle emissioni di ammoniaca nelle nazioni sviluppate. Anche gli incendi, le automobili e i processi industriali contribuiscono. Una volta a loft, l’ammoniaca si combina con altri composti per creare minuscole particelle di diametro inferiore a 2,5 micron che possono minacciare la salute umana.Una ricetta per un cielo smogAmmoniaOthercompoundsAmmonia reagisce con altri composti, compresi gli ossidi di azoto e zolfo, formandoparticelle che creano smog.Il tempo può influenzare quanta ammoniaca viene emessa e dove viaggia.NH3

I regolatori vogliono anche essere sicuri che controlli potenzialmente costosi sulle fattorie o altre fonti di ammoniaca produrranno un beneficio, il che significa rompere la composizione chimica dello smog. Negli Stati Uniti, per esempio, i regolamenti esistenti sull’inquinamento atmosferico hanno ridotto drasticamente le concentrazioni atmosferiche di ossidi di azoto, il che significa che meno molecole di quei composti sono disponibili per combinarsi con l’ammoniaca e formare particolato. Quindi, la riduzione delle emissioni di ammoniaca potrebbe non fare molta differenza nelle aree in cui gli altri ingredienti dello smog sono già a corto. In altre aree, tuttavia, soffocare i pennacchi di ammoniaca potrebbe essere la chiave per ridurre il particolato. “Non siamo ancora in un posto”, dice Murphy, “dove possiamo anche dire che le misure difficili stanno andando ad un impatto.”

La situazione è molto diversa in Europa, dove i regolatori ambientali hanno a lungo messo un riflettore sull’ammoniaca, in parte a causa delle preoccupazioni per il suo impatto sugli ecosistemi. (L’ammoniaca può filtrare nei ruscelli e nei fiumi, per esempio, dove può essere tossica per gli organismi acquatici). La Commissione economica per l’Europa, una propaggine delle Nazioni Unite, ha fissato dei limiti per l’ammoniaca nel 2012, e i paesi europei hanno usato una varietà di strategie per ridurre le emissioni agricole complessive del 24% dal 1990. La Germania, per esempio, ha posto dei limiti per ettaro sull’uso di certi tipi di fertilizzanti, e i Paesi Bassi hanno creato degli incentivi finanziari per un uso più efficiente dei fertilizzanti.

All’inizio di quest’anno, il Regno Unito ha presentato un ampio piano sulla qualità dell’aria che include piani per tagliare le emissioni di ammoniaca dell’agricoltura del 16% entro il 2030. La mossa è arrivata sulla scia di una scoperta dell’Agenzia per l’ambiente del Regno Unito che l’ammoniaca era l’unico inquinante principale della nazione ad aumentare dal 2013, e che le emissioni delle aziende agricole avrebbero continuato ad aumentare senza “un’azione urgente”. Questa tendenza ha minacciato il tentativo del governo di dimezzare, entro il 2025, il numero di persone che respirano aria con livelli di PM2.5 ritenuti non sicuri dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS). (Lo standard dell’OMS per il particolato è di 10 microgrammi di PM2.5 per metro cubo d’aria, in media su un anno; lo standard annuale degli Stati Uniti è di 12 µg/m3.)

Per raggiungere il taglio dell’ammoniaca, il governo prevede di richiedere agli agricoltori di limitare le applicazioni di fertilizzanti e coprire i cumuli di letame, e imporrà controlli più severi sulle operazioni lattiero-casearie. L’industria agricola, che è stata consultata sul piano, è stata ampiamente ricettiva. Gli agricoltori hanno già adottato volontariamente misure simili, hanno notato i funzionari dell’industria, e hanno accolto con favore i piani del governo per aiutare a finanziare lo spiegamento di tecnologie di controllo dell’ammoniaca.

Altre nazioni con forti emissioni di ammoniaca non sono ancora pronte a seguire l’esempio del Regno Unito. La Cina, che è nota per essere un punto caldo delle emissioni globali di ammoniaca ma non ha un inventario affidabile delle fonti, non regolamenta il composto. Nemmeno gli Stati Uniti, anche se l’EPA considera l’ammoniaca un precursore del PM2.5.

Un grande problema per i regolatori statunitensi è la mancanza di dati completi sulle fonti di ammoniaca. “È difficile regolare qualcosa se non la si misura”, dice Collett. I gruppi di agricoltori statunitensi hanno, fino ad oggi, respinto gli sforzi per richiedere agli agricoltori di segnalare le emissioni di ammoniaca, sostenendo che lo sforzo sarebbe inutilmente oneroso. Nel 2013, l’EPA ha lanciato uno studio di monitoraggio dell’ammoniaca di 2 anni, di concerto con le industrie di maiali, latticini e pollame, coinvolgendo 24 siti in nove stati. Ma il progetto è stato interrotto dopo che i consulenti scientifici dell’agenzia hanno criticato la qualità dei dati che venivano raccolti.

Se l’EPA perseguisse i regolamenti sull’ammoniaca, la politica porrebbe probabilmente un ostacolo. I gruppi di agricoltori hanno sostenuto che, poiché il gas ha molte fonti e può andare alla deriva per lunghe distanze, qualsiasi controllo dovrebbe essere attentamente progettato; una soluzione non sarebbe così semplice come, per esempio, l’installazione di uno scrubber chimico su una centrale elettrica. Notano anche che gli agricoltori hanno già adottato misure volontarie per limitare le emissioni, come la riduzione della quantità di precursori dell’ammoniaca utilizzati nei mangimi e il cambiamento delle pratiche di gestione del letame.

Ancora, i regolatori statunitensi potrebbero affrontare la pressione di agire se gli studi di Salt Lake City e altrove forniscono la prova che l’ammoniaca è diventata un importante fattore di inquinamento da particolato. E almeno uno scienziato crede che le risposte potrebbero arrivare più presto che tardi – “anni, non decenni”, prevede Henze, che fa parte del comitato consultivo dell’EPA che considera la questione. “L’EPA non è stata disposta a spingere la palla in avanti a causa dell’incertezza” che circonda l’ammoniaca, dice. “Ora stiamo spingendo oltre l’incertezza”.