PIERCING THE HAZE

SALT LAKE CITY-Winters kunnen hier giftig zijn. Dagen- of zelfs wekenlang hangt er een dikke nevel over deze stad van skiërs en wandelaars, als vervuilde lucht vast komt te zitten in een bekken omringd door bergen. Het kan moeilijk zijn om de volgende auto op de weg te zien. Het aantal ziekenhuisbezoeken voor longontsteking en astma stijgt, scholen schorsen de buitenspelen, en zelfs gezonde inwoners klagen over een schrapende keel en hoestbuien.

Meteorologen zeggen dat het fenomeen, bekend als een inversie, gemakkelijk te verklaren is: Een hogedruksysteem houdt koude lucht vast in het bekken en legt zo een deksel op de vervuiling. Maar de specifieke bestanddelen van de smog, en hoe die in de atmosfeer op elkaar inwerken, zijn een mysterie gebleven. En er wordt steeds meer druk uitgeoefend om dit op te lossen: De U.S. Environmental Protection Agency (EPA) heeft geoordeeld dat de stad een deel van elk jaar in “ernstige” overtreding van de normen voor schone lucht verkeert, waardoor de staatsambtenaren verplicht zijn met een plan te komen om de dreiging te verminderen – iets wat ze tot nu toe niet hebben kunnen doen.

In een poging om dat plan te helpen ontwikkelen, lanceerden onderzoekers van zes universiteiten en verschillende staats- en federale agentschappen vorig jaar een ongekende inspanning om de precieze chemische samenstelling en bronnen van de vervuiling beter te begrijpen. Tijdens twee inversies die in totaal 17 dagen duurden, verzamelden zij gegevens van vliegtuigen, ballonnen en grondstations.

De grote lijnen van wat zij vonden kwamen als weinig verrassing. De nevel bestond voornamelijk uit kleine deeltjes, minder dan 2,5 micron in diameter (PM2.5), die zich kunnen nestelen in de longen en bijdragen tot vroegtijdige dood. Sommige van de deeltjes waren stof, rook of roet, maar ongeveer driekwart bestond uit ammoniumnitraat. Het wordt gevormd wanneer stikstofoxiden, geproduceerd door voertuigen, ovens en industriële apparatuur, worden gecombineerd met ammoniak, dat typisch afkomstig is van boerderijen die vloeibare meststoffen op basis van ammoniak gebruiken of hopen dierlijke mest produceren.

De onderzoekers waren echter geschrokken van de niveaus van pure ammoniak die ze maten, gezien het feit dat de boerderijen van Utah meestal niet actief zijn in de winter. “We denken normaal niet aan de wintermaanden als zijnde grote maanden voor ammoniak,” zegt chemicus Jennifer Murphy van de Universiteit van Toronto in Canada, die deelnam aan het onderzoek. Onderzoekers en regelgevers proberen nu precies vast te stellen waarom die niveaus zo hoog waren, en of het verminderen van die emissies kan helpen de lucht te zuiveren van wat sommige bewoners “Smog Lake City” zijn gaan noemen.

Ondanks zijn overvloed, wordt de rol van het kleurloze, scherp ruikende en oogstrelende gas in dodelijke luchtverontreiniging slecht begrepen. Gedeeltelijk komt dat doordat het moeilijk te traceren is. Ammoniakmoleculen zijn “kleverig” en verbinden zich graag met andere verbindingen, waardoor het voor meetinstrumenten moeilijk is ze op te vangen. En het gas kan een zeer korte levensduur hebben – soms maar een paar dagen. “Ammoniak is afschuwelijk”, zegt milieu-ingenieur Mark Zondlo van de Princeton-universiteit. “Het is echt een van de slechtste gassen in de atmosfeer om te meten.”

Overal ter wereld helpen nieuwe grond-, lucht- en ruimtesensoren om de bronnen, bewegingen en het lot van ammoniak duidelijker in beeld te brengen. De verbeterde monitoring komt omdat sommige landen, waaronder het Verenigd Koninkrijk, maatregelen nemen om de uitstoot van ammoniak te verminderen. Andere landen, waaronder de Verenigde Staten, hebben echter van de beperking van ammoniak geen prioriteit gemaakt, deels vanwege de onzekerheid over de bronnen en de vrees dat dure controles weinig zullen bijdragen aan de verbetering van de luchtkwaliteit. In plaats daarvan hebben de regelgevers vaak gekozen voor andere belangrijke smogbestanddelen, waaronder stikstofoxiden en zwavel die bij verbranding ontstaan.

Maar de aandacht voor ammoniak zal waarschijnlijk toenemen. De wereldwijde uitstoot van dit gas is in de afgelopen 70 jaar verdubbeld en zal naar verwachting blijven stijgen, grotendeels als gevolg van de groeiende vraag naar kunstmest. Dat heeft druk uitgeoefend op onderzoekers en regelgevers om de implicaties voor de luchtkwaliteit beter te begrijpen.

Deze zomer stond atmosferisch wetenschapper Jeff Collett van de Colorado State University in Fort Collins op een open plek in het Rocky Mountain National Park, omringd door instrumenten die benadrukten hoe uitdagend het is om ammoniak te traceren. Andere luchtverontreinigende stoffen, zoals ozon en koolmonoxide, worden over het algemeen in de gaten gehouden door netwerken van geautomatiseerde instrumenten die in real time gegevens verzamelen en doorgeven. Maar om ammoniak te volgen, moet het team van Collett meerdere keren per week een reis van een uur maken van de campus naar het veld om handmatig monsters van hun instrumenten te verzamelen.

Een daarvan is een eenvoudige emmer die regenwater opvangt, die onderzoekers analyseren om te zien hoeveel ammoniak in waterdamp is opgesloten. Een andere berust op een spons bedekt met een zuur om het gas te absorberen. (Ammoniak, een base, reageert gretig met zuren.) Er is ook een met zuur gecoate glazen spiraal, die de kleverige ammoniakmoleculen uit luchtmonsters stript alvorens andere componenten van zwevende deeltjes af te scheiden.

Het is een pietluttig proces, maar de monsters zijn van vitaal belang voor Colletts inspanningen om te documenteren hoe ammoniak van boerderijen zo’n 80 kilometer verderop in Greeley, Colorado, het park in drijft, waar de voedingsstof gevoelige ecosystemen kan beschadigen, en naar Denver, waar het bijdraagt aan smog. Het werk, dat sinds 2011 aan de gang is, heeft geholpen het beeld van de bronnen en verplaatsingen van ammoniak in de regio te verscherpen. Toen landbouwgroeperingen in Colorado bijvoorbeeld aanvoerden dat golfterreinen een buitensporige rol speelden in de ammoniakuitstoot vanwege hun liberale kunstmestgebruik, plaatste Collett een monitor in de buurt van een plaatselijk golfterrein en toonde aan dat dit niet klopte; landbouwbedrijven waren de grotere bron. Dankzij de monitoring heeft de staat ook een systeem kunnen opzetten dat boeren waarschuwt wanneer er weersomstandigheden worden voorspeld die ammoniak richting Denver zullen stuwen, zodat ze worden aangemoedigd om vrijwillig het gebruik van kunstmest te beperken en mesthopen af te dekken.

Vers van de boerderij

012345Parts per billion by volumeDoor de groeiende vraag naar kunstmest is de wereldwijde NH3-productie dramatisch gestegen.6781946NH3 op grondniveau van april tot september 2013Vruchtbaarheidsmarkt20161956196819801992200420406080100Miljoen metrische ton stikstof120140160

Overal hebben andere monitoringinspanningen – waaronder een nationaal netwerk van 66 locaties dat wordt beheerd door de EPA en elke twee weken metingen rapporteert – een groter, continentaal beeld geschetst, inclusief hoe ammoniakemissies kunnen variëren per weer en seizoen. Dankzij de vooruitgang op het gebied van mobiele monitoring kunnen metingen zoals die van Collett sneller worden verzameld. En sinds 2008 hebben NASA-satellieten een wereldwijde kijk op de ammoniaksignatuur in de atmosfeer mogelijk gemaakt. Dergelijke instrumenten helpen wetenschappers om een completer beeld te krijgen van de bronnen van ammoniak, waaronder natuurbranden, die naar schatting 10% van de wereldwijde ammoniakemissies veroorzaken door het vrijkomen van de verbinding uit planten.

“Tien jaar geleden hadden we misschien een dozijn langetermijnmetingen in het hele land, en slechts een of twee vliegtuigmetingen ooit,” zegt atmosferisch chemicus Daven Henze van de Universiteit van Colorado in Boulder. “Nu zijn we in staat om regelmatig informatie te krijgen over timing, omvang, variabiliteit en bronnen.”

Weinig inspanningen om ammoniak te inventariseren, zijn echter zo grondig geweest als degene die in de winter van 2017 in de regio Salt Lake City werd ondernomen. De twee inversiegebeurtenissen gedocumenteerd door de grond- en luchtcampagne duurden elk meer dan een week, en de onderzoekers waren in staat om waarnemingen te verzamelen in elk van de drie belangrijkste valleien van het gebied: Salt Lake, Cache en Utah.

Bestaande tellingen van de ammoniakbronnen van Utah suggereerden dat ammoniakniveaus vergelijkbaar zouden zijn in elk van de drie valleien. In feite ontdekten de onderzoekers dat de niveaus per geografie verschilden en dat de metingen hoger waren dan ze verwachtten.

Nu werken Murphy en verwante onderzoekers eraan om die variatie te begrijpen en uit te zoeken waar de ammoniak vandaan komt. Het team gebruikt een netwerk van grondmonitors, gecombineerd met metingen vanuit de lucht, om de ammoniakconcentraties in de stad in kaart te brengen. Ze onderzoeken windpatronen om te zien hoe ammoniak uit nabijgelegen landbouwgebieden kan binnendrijven. En ze zoeken naar bronnen die misschien over het hoofd zijn gezien.

Voertuigen in stedelijke gebieden dragen bijvoorbeeld misschien meer ammoniak bij dan tot nu toe werd gedacht. In een recente studie gebruikte Zondlo mobiele instrumenten die lasers gebruiken om de ammoniakpluimen te meten die vrijkomen uit voertuigen in steden in de Verenigde Staten en China. Hij ontdekte dat voertuigen – die ammoniak produceren als bijproduct van hun emissiereinigende katalysatoren – ongeveer twee keer zoveel ammoniak uitstootten als werd aangenomen. “In het grote geheel der dingen waren voertuigen een vrij kleine bron,” merkt hij op. Toch zou de uitstoot een belangrijke rol kunnen spelen bij de deeltjesvervuiling in steden, zegt hij, omdat de ammoniak wordt geproduceerd in de nabijheid van andere verbrandingscomponenten die de vorming van PM2.5.

In Utah hopen de staatsregulatoren dat een beter begrip van de ammoniakbronnen van Salt Lake City hen zal helpen betere computersimulaties van luchtvervuilingsgebeurtenissen te bouwen, die de sleutel kunnen zijn tot het identificeren van oplossingen. Als bijvoorbeeld blijkt dat ammoniak van boerderijen in naburige valleien de stad binnendrijft, zou de staat kunnen proberen die bronnen te beteugelen – bijvoorbeeld door boeren te vragen hun kunstmestgebruik te beperken – wanneer het weer rijp is voor inversies. Maar die strategie heeft misschien geen zin als blijkt dat stedelijke ammoniakbronnen zoals auto’s een grotere rol spelen in de chemie die smog produceert. “Met zoveel factoren, moeten we het volledige plaatje begrijpen,” zegt Murphy.

2,5-micrometer(μm) deeltjeDeeltjes kunnen zich vastzetten in de longen en de bloedbaan, en bijdragen aan ziekte en vroegtijdige dood.8-µm rode bloedcelLandbouwbronnen, met inbegrip van ammoniak (NH3)-gebaseerde meststoffen en dierlijke mest, zijn verantwoordelijk voor naar schatting 80% tot 95% van de uitstoot van ammoniak in ontwikkelde naties. Ook bosbranden, auto’s en industriële processen dragen hun steentje bij. Als ammoniak eenmaal op zolder ligt, vormt het samen met andere verbindingen minuscule deeltjes met een diameter van minder dan 2,5 micron die een bedreiging kunnen vormen voor de volksgezondheid.Een recept voor een smogluchtAmmoniakAndere verbindingenAmmoniak reageert met andere verbindingen, waaronder stikstofoxiden en zwavel, en vormt zo deeltjes die smog vormen.Het weer kan beïnvloeden hoeveel ammoniak wordt uitgestoten en waarheen het zich verplaatst.NH3

Regulators willen ook zeker weten dat potentieel kostbare controles op boerderijen of andere ammoniakbronnen een voordeel zullen opleveren, wat betekent dat de chemische samenstelling van de smog gekraakt moet worden. In de Verenigde Staten, bijvoorbeeld, hebben bestaande luchtverontreinigingsvoorschriften de atmosferische concentraties van stikstofoxiden sterk verminderd, wat betekent dat er minder moleculen van die verbindingen beschikbaar zijn om zich te verbinden met ammoniak en deeltjes te vormen. Een vermindering van de ammoniakuitstoot zal dus wellicht niet veel verschil maken in gebieden waar reeds een tekort is aan andere smogbestanddelen. In andere gebieden zou het afsnijden van ammoniakpluimen echter wel eens de sleutel kunnen zijn tot het terugdringen van fijn stof. “We zijn nog steeds niet op een plek,” zegt Murphy, “waar we zelfs kunnen zeggen dat moeilijke maatregelen effect gaan hebben.”

De situatie is heel anders in Europa, waar milieuregelgevers ammoniak al lang in de schijnwerpers hebben gezet, deels vanwege bezorgdheid over het effect ervan op ecosystemen. (Ammoniak kan bijvoorbeeld in beken en rivieren terechtkomen, waar het giftig kan zijn voor in het water levende organismen). De Economische Commissie voor Europa, een uitloper van de Verenigde Naties, heeft in 2012 ammoniakgrenswaarden vastgesteld, en de Europese landen hebben diverse strategieën gebruikt om de totale landbouwemissies sinds 1990 met 24% te verminderen. Duitsland, bijvoorbeeld, plaatste per hectare beperkingen op het gebruik van bepaalde soorten meststoffen, en Nederland creëerde financiële prikkels voor een efficiënter gebruik van meststoffen.

Eerder dit jaar onthulde het Verenigd Koninkrijk een uitgebreid luchtkwaliteitsplan dat plannen omvat om de ammoniakuitstoot van de natie uit de landbouw met 16% te verminderen tegen 2030. De stap kwam in het kielzog van een bevinding van het Britse Milieuagentschap dat ammoniak de enige belangrijke luchtvervuilende stof van de natie was die sinds 2013 is toegenomen, en dat de emissies van boerderijen zouden blijven stijgen zonder “dringende actie”. Die trend bedreigt het streven van de regering om het aantal mensen dat lucht inademt met PM2.5-niveaus die door de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) als onveilig worden beschouwd, tegen 2025 te halveren. (De WHO-norm voor zwevende deeltjes is 10 microgram PM2.5 per kubieke meter lucht, gemiddeld over een jaar; de jaarlijkse norm in de VS is 12 µg/m3.)

Om de ammoniakverlaging te bereiken, is de regering van plan om boeren te verplichten het gebruik van kunstmest te beperken en mesthopen af te dekken, en zal zij strengere controles op zuivelbedrijven opleggen. De landbouwsector, die over het plan is geraadpleegd, heeft zich grotendeels ontvankelijk getoond. Boeren hebben al vrijwillig soortgelijke stappen genomen, merkten ambtenaren van de industrie op, en ze verwelkomden plannen van de overheid om de inzet van ammoniakbeheersingstechnologieën te helpen financieren.

Andere landen met een forse ammoniakuitstoot zijn nog niet klaar om het voorbeeld van het Verenigd Koninkrijk te volgen. China, dat bekend staat als een mondiale hotspot van ammoniakemissies maar geen betrouwbare inventaris van bronnen heeft, heeft de verbinding niet gereguleerd. Ook de Verenigde Staten doen dat niet, hoewel de EPA ammoniak wel beschouwt als een precursor van PM2.5.

Een groot probleem waarmee Amerikaanse regelgevers te maken hebben, is het gebrek aan uitgebreide gegevens over ammoniakbronnen. “Het is moeilijk om iets te reguleren als je het niet meet”, zegt Collett. Amerikaanse landbouworganisaties hebben tot nu toe pogingen om boeren te verplichten ammoniakemissies te rapporteren afgewezen, met het argument dat de inspanning onnodig belastend zou zijn. In 2013 startte de EPA in samenwerking met de varkens-, zuivel- en pluimvee-industrie een tweejarig onderzoek naar de monitoring van ammoniak, waarbij 24 locaties in negen staten betrokken waren. Maar het project werd stopgezet nadat wetenschappelijke adviseurs van het agentschap kritiek hadden op de kwaliteit van de gegevens die werden verzameld.

Als het EPA ammoniakregels zou willen opstellen, zou de politiek waarschijnlijk een struikelblok vormen. Boerenorganisaties hebben aangevoerd dat, omdat het gas veel bronnen heeft en over grote afstanden kan stuiven, elke controle zorgvuldig moet worden ontworpen; een oplossing zou niet zo eenvoudig zijn als, bijvoorbeeld, het installeren van een chemische gaswasser op een elektriciteitscentrale. Zij merken ook op dat boeren al vrijwillige stappen hebben ondernomen om de uitstoot te beperken, zoals het verminderen van de hoeveelheid ammoniak die in diervoeder wordt gebruikt en het veranderen van mestbeheerspraktijken.

Toch zouden de Amerikaanse regelgevers onder druk kunnen komen te staan om op te treden als studies uit Salt Lake City en elders aantonen dat ammoniak een belangrijke aanjager van deeltjesvervuiling is geworden. En ten minste één wetenschapper gelooft dat de antwoorden eerder dan later zouden kunnen komen – “jaren, geen decennia”, voorspelt Henze, die in het EPA-adviespanel zit dat zich over de kwestie buigt. “De EPA is niet bereid geweest om de bal vooruit te spelen vanwege de onzekerheid” rond ammoniak, zegt hij. “Nu duwen we voorbij de onzekerheid.”