PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY – 冬はここで毒になることができます。 山々に囲まれた盆地に汚染された空気が滞留し、スキーヤーやハイカーが集まるこの街には、数日から数週間にわたって濃い靄が立ち込めます。 道路を走る次の車が見えないほどです。 肺炎や喘息で病院を訪れる人が急増し、学校は屋外の休み時間を中止し、健康な住民でさえ喉の傷や咳の発作を訴えます。
気象学者は、逆転現象として知られるこの現象は説明しやすいと言います。 高気圧が冷たい空気を盆地に閉じ込め、汚染に蓋をするのです。 しかし、スモッグの成分や、それらが大気中でどのように作用しているかは、これまで謎のままでした。 しかし、スモッグの成分や大気との相互作用は謎に包まれている。 米国環境保護庁 (EPA) は、この都市が毎年の一部で大気浄化基準に「重大な」違反をしていると判断し、州当局はこの脅威を減らすための計画を立てることを義務付けられましたが、今のところ実行できていません。
昨年、その計画を立てるために、いくつかの州と連邦機関の研究者と 6 大学の研究者が、汚染の化学構造と発生源をより正確に理解するための前例のない取り組みに着手しました。 合計17日間続いた2回の逆転現象の間、彼らは航空機、気球、および地上局からデータを集めました。 このヘイズは、ほとんどが直径2.5ミクロン以下の小さな粒子（PM2.5）で構成されており、肺の中に留まって早死にする可能性があることがわかりました。 粉塵や煙、煤煙もあるが、約4分の3は硝酸アンモニウムである。 このアンモニアは、自動車、炉、産業機器から発生する窒素酸化物と、アンモニアベースの液体肥料を使用したり、動物の糞尿を大量に生産したりする農場から通常漂ってくるアンモニアが結合したときに形成されるのです。 この研究に参加したカナダのトロント大学の化学者ジェニファー・マーフィーは、「私たちは通常、冬の間がアンモニアにとって大きな月であるとは考えません」と述べています。 研究者と規制当局は現在、これらのレベルが非常に高かった理由を正確に解明し、これらの排出を削減することで、一部の住民が「スモッグ湖の街」と呼ぶようになった場所の空気をきれいにすることができるかどうかを調べています。
その豊富さにもかかわらず、無色で鋭い臭いがし、致命的な大気汚染で目が覚めるガスの役割は十分に理解されていない。 その理由のひとつは、このガスの追跡が難しいからです。 アンモニア分子は「粘着性」があり、他の化合物と結合したがるため、監視装置がアンモニアを捕らえることが困難なのだ。 また、ガスの寿命は非常に短く、数日しかもたないこともある。 プリンストン大学の環境エンジニア、マーク・ゾンドロは「アンモニアはひどい」と言う。 「1150>
世界中で、新しい地上、大気、宇宙ベースのセンサーが、アンモニアの発生源、移動、および運命をより明確にするのに役立っています。 イギリスを含むいくつかの国がアンモニアの排出を削減するために動いている中、モニタリングの向上が実現したのです。 しかし、米国をはじめとする他の国々は、排出源に関する不確実性や、高価な規制が大気環境の改善にほとんど寄与しないのではないかという懸念から、アンモニアの排出量削減を優先事項とはしていない。 その代わりに、規制当局はしばしば、燃焼によって生じる窒素酸化物や硫黄など、他の主要なスモッグ成分を標的にすることを選んできました。
しかし、アンモニアへの注目は、今後ますます強まる可能性があります。 このガスの世界的な排出量は過去 70 年間で倍増し、今後も増え続けると予測されています。 そのため、研究者や規制当局は、大気質への影響をよりよく理解するよう圧力をかけている。
Smog fill a downtown street in Salt Lake City in December 2017.
George Frey/REUTERS
この夏、フォートコリンズのコロラド州立大学の大気科学者ジェフ・コレットは、ロッキーマウンテン国立公園の空き地に立ち、アンモニアの追跡がいかに困難かを強調する機器に囲まれていた。 オゾンや一酸化炭素など他の大気汚染物質は、一般に、リアルタイムでデータを収集し中継する自動化された機器のネットワークによって監視されている。 しかし、アンモニアを追跡するためには、Collett氏のチームは、週に数回、キャンパスからフィールドまで1時間かけて移動し、機器からサンプルを手動で収集する必要があります。 もうひとつは、酸でコーティングしたスポンジにガスを吸着させる方法です。 (また、酸でコーティングしたガラス製のスパイラルもあり、空気サンプルから粘着性のあるアンモニア分子を取り除いてから、他の粒子状物質の成分を分離することができます。
これは気難しいプロセスですが、アンモニアが約80キロメートル離れたコロラド州グリーリーの農場から公園に流れ込み、敏感な生態系にダメージを与え、デンバーに流れ込んでスモッグの原因となることを記録するコレットの努力にとって、サンプルは不可欠なものです。 2011年から行われているこの取り組みにより、この地域のアンモニアの発生源と移動に関する情報がより鮮明になりました。 例えば、コロラド州の農業団体が、ゴルフ場は肥料をたくさん使うのでアンモニアの排出に大きな役割を果たしていると主張したとき、コレットは地元のゴルフ場の近くにモニターを設置して、それが正しくなく、農場の方がより大きな排出源であることを示しました。 このモニタリングによって、州は、アンモニアがデンバーに向かうと予測される気象条件を農家に警告するシステムを確立し、農家が自主的に肥料の散布を制限し、糞尿の山に覆いをするよう奨励しました。 また、山火事（地図上部付近の黄色い部分）でも、この化合物の噴煙が発生することがある。
他の監視活動-2週間ごとに測定値を報告するEPAが運営する66サイトの全国ネットワークなど-は、アンモニア排出が天候や季節によってどう変化するのかなど、大陸全体の大きな画像を描いている。 移動モニタリングの進歩により、コレットのような測定値をより迅速に収集することが可能になった。 また、2008年からはNASAの人工衛星によって、大気中のアンモニアがどのような影響を受けているのか、全地球規模で見ることができるようになった。 このようなツールは、植物からアンモニアを放出することにより、世界のアンモニア排出量の10%を生産すると推定される山火事などのアンモニア源について、科学者がより完全な全体像を把握するのに役立ちます。 “今では、タイミング、大きさ、変動、およびソースに関する情報を定期的に得ることができます。”
しかし、アンモニアを目録化する取り組みは、2017年の冬にソルトレイクシティ地域で行われたものほど徹底的ではありません。 地上と空からのキャンペーンで記録された2つの逆転現象はそれぞれ1週間以上続き、研究者はこの地域の3つの主要な谷であるソルトレイク、キャッシュ、ユタのそれぞれで観測を集めることができました。
ユタのアンモニア源の既存の集計は、アンモニアレベルが3つの谷のそれぞれで同様であることを示唆しました。 実際には、研究者は、レベルが地理によって異なり、測定値が予想よりも高いことを発見しました。
現在、マーフィーと関連する研究者は、その変動を理解し、アンモニアがどこから来ているかを把握するために取り組んでいます。 チームは、地上モニターのネットワークと航空計測を組み合わせて、都市内のアンモニア濃度をマッピングしています。 また、近隣の農業地帯からアンモニアがどのように漂ってくるか、風のパターンを調べています。 そして、これまで見過ごされてきた原因を探っています。
たとえば、都市部の自動車は、これまで理解されていたよりも多くのアンモニアを供給している可能性があります。 最近の研究では、Zondlo氏は、米国と中国の都市で、自動車が放出するアンモニアのプルームを測定するために、レーザーを使用する移動式装置を配備しました。 その結果、自動車は排ガスを浄化する触媒コンバーターの副産物としてアンモニアを発生させるが、想定されているよりも約2倍もアンモニアを排出していることがわかった。 「全体から見れば、自動車はかなり小さな排出源でした」と彼は指摘する。 というのも、アンモニアは、PM2.5 を発生させる他の燃焼化合物の近くで生産されているからです。
ユタ州では、州の規制機関が、ソルトレイクシティのアンモニア源をよりよく理解することで、大気汚染現象のコンピュータ シミュレーションを改善し、解決法を特定できるようになればと考えています。 たとえば、アンモニアが近隣の谷の農場からソルトレイクシティに流入していることが判明した場合、州はその流入源を抑制するために、天候が反転する時期に農家に対して肥料の使用を制限するよう求めることができます。 しかし、自動車などの都市部のアンモニア発生源が、スモッグを発生させる化学反応に大きな役割を果たしていることが判明すれば、この戦略は意味をなさないかもしれない。 「このように多くの要因があるため、全体像を把握する必要があります」とマーフィーは言います。
規制当局はまた、農場やその他のアンモニア発生源に対する潜在的に高価な制御が利益を生むことを確認したいのですが、これはスモグラフィの化学的構成を解明することを意味しています。 たとえば米国では、既存の大気汚染規制により窒素酸化物の大気中濃度が大幅に低下しています。これは、窒素酸化物がアンモニアと結合して微粒子を形成する分子が少なくなったことを意味します。 そのため、他のスモッグ成分がすでに不足している地域では、アンモニアの排出量を削減してもあまり効果がない可能性がある。 しかし、他の地域では、アンモニアの排出を抑えることが粒子状物質を減らす鍵になるかもしれない。 「マーフィーは、「私たちはまだ、困難な対策が影響を及ぼすとさえ言える状況にはありません」と言います。
状況は、環境規制当局が長い間アンモニアにスポットライトを当ててきたヨーロッパでは、生態系への影響についての懸念もあり、非常に異なっています。 (たとえば、アンモニアは小川や河川に溶け出し、水生生物に有害な場合がある）。 国連の下部組織である欧州経済委員会は2012年にアンモニア規制値を設定し、欧州各国はさまざまな戦略を駆使して1990年以降、農業からの排出量を24％削減した。 例えばドイツは、特定の種類の肥料の使用について、ヘクタールあたりの制限を設け、オランダはより効率的な肥料の使用に対して金銭的インセンティブを設けました。
今年初め、英国は、農業からのアンモニア排出を2030年までに16%削減する計画を含む、大気の質に関する計画を発表しました。 この動きは、英国環境庁が、アンモニアは2013年以降、国の主要な大気汚染物質の中で唯一増加しており、農場からの排出量は「緊急措置」なしに増え続けるだろうとの見解を示したことを受けて行われました。 この傾向は、世界保健機関（WHO）が危険とみなすPM2.5レベルの空気を吸う人の数を2025年までに半減させるという政府の試みを脅かすものだった。 (WHOの微粒子基準は、1年平均で大気1立方メートルあたり10マイクログラムのPM2.5で、アメリカの年間基準は12μg/m3だ。)
アンモニアを削減するために、政府は農家に肥料の使用を制限し糞尿の山を覆うよう要求し、酪農業にはより厳しい管理を課す予定である。 この計画について諮問を受けた農業界は、概ね受け入れている。 農家はすでに自主的に同様の措置をとっており、アンモニア制御技術の展開に資金援助する政府の計画を歓迎していると、業界関係者は指摘しています。
メリーランド州の鶏糞の山のような農場のアンモニア源を管理することが排出を制限する鍵になるかもしれません。
EDWIN REMSBERG/ALAMY STOCK PHOTO
アンモニアを大量に排出する他の国々は、まだイギリスのリードに従う準備ができていないようです。 中国は、世界的なアンモニア排出のホットスポットであることが知られているが、信頼できる排出源の目録を持っていないため、この化合物を規制していない。 EPAはアンモニアをPM2.5の前駆物質とみなしていますが、米国も同様です。
米国の規制当局が直面している大きな問題の1つは、アンモニアの発生源に関する包括的なデータが不足していることです。 「測定していないものを規制するのは難しい」と、コレットは言います。 米国の農業団体はこれまで、農家にアンモニア排出量の報告を義務付ける取り組みは、不必要に負担がかかるとして拒否してきました。 2013年、EPAは豚肉、乳製品、鶏肉業界と共同で、9州24カ所で2年間のアンモニアモニタリング調査を開始しました。 しかし、EPA の科学アドバイザーが収集されたデータの質を批判したため、このプロジェクトは中止されました。
EPA がアンモニア規制を追求した場合、政治が障害となる可能性が高いでしょう。 農業団体は、このガスには多くの発生源があり、長距離を漂う可能性があるため、規制は慎重に設計されなければならず、例えば、発電所に化学洗浄装置を設置するような簡単なものではないと主張してきた。 また、農家はすでに、動物飼料に使用されるアンモニア前駆体の量を減らしたり、糞尿管理の方法を変えたりするなど、排出を制限する自主的な措置をとっていることも指摘しています。
それでも、ソルトレークシティやその他の場所からの研究が、アンモニアが微粒子汚染の重要な要因になっているという証拠を提供すれば、米国の規制当局は行動を起こすよう圧力を受ける可能性があります。 この問題を検討しているEPAの諮問委員会のメンバーであるHenze氏は、少なくとも1人の科学者は、「数十年ではなく、数年」早く答えが得られると信じています。 「EPAは、アンモニアをめぐる不確実性のために、この問題を進めようとはしませんでした」とヘンツェは言う。 「今、私たちはその不確実性を乗り越えようとしているのです」
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