PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY – zimy zde mohou být toxické. Nad tímto městem lyžařů a turistů se na několik dní nebo i týdnů usazuje hustý opar, protože znečištěný vzduch je uvězněn v kotlině obklopené horami. Může být těžké vidět další auto na silnici. V nemocnicích přibývá pacientů se zápalem plic a astmatem, školy přerušují venkovní přestávky a i zdraví obyvatelé si stěžují na škrábání v krku a záchvaty kašle.
Meteorologové tvrdí, že tento jev, známý jako inverze, je snadno vysvětlitelný: Systém vysokého tlaku zachycuje studený vzduch v kotlině a zakrývá tak znečištění. Konkrétní složky smogu a jejich vzájemné působení v atmosféře jsou však záhadou. A roste tlak na její vyřešení: Americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) vyhodnotila, že město po část každého roku „vážně“ porušuje normy čistoty ovzduší, což zavazuje státní úředníky, aby předložili plán na snížení této hrozby – což se jim dosud nepodařilo.
V loňském roce výzkumníci ze šesti univerzit a několika státních a federálních agentur zahájili bezprecedentní úsilí o lepší pochopení přesného chemického složení a zdrojů znečištění. Během dvou inverzí, které trvaly celkem 17 dní, shromáždili údaje z letadel, balonů a pozemních stanic.
Všeobecné poznatky je příliš nepřekvapily. Mlha se skládala převážně z drobných částic o průměru menším než 2,5 mikrometru (PM2,5), které se mohou usazovat v plicích a přispívat k předčasné smrti. Některé částice byly prach, kouř nebo saze, ale asi tři čtvrtiny tvořil dusičnan amonný. Ten vzniká, když se oxidy dusíku produkované vozidly, pecemi a průmyslovými zařízeními spojí s čpavkem, který obvykle vyvěrá z farem, které používají kapalná hnojiva na bázi čpavku nebo produkují hromady zvířecího hnoje.
Výzkumníky však zarazilo množství čistého čpavku, které naměřili, vzhledem k tomu, že farmy v Utahu jsou v zimě většinou nečinné. „O zimních měsících obvykle neuvažujeme jako o velkých měsících pro amoniak,“ říká chemička Jennifer Murphyová z Torontské univerzity v Kanadě, která se na studii podílela. Vědci a regulační orgány se nyní snaží přesně zjistit, proč byly tyto hodnoty tak vysoké a zda by snížení těchto emisí mohlo pomoci vyčistit ovzduší nad městem, kterému někteří obyvatelé začali říkat „Smog Lake City“.
Navzdory jeho hojnému výskytu je role tohoto bezbarvého, ostře páchnoucího a oči pálícího plynu ve smrtelném znečištění ovzduší špatně pochopena. Částečně je to proto, že je notoricky obtížné ho sledovat. Molekuly amoniaku jsou „lepkavé“ a ochotně se spojují s jinými sloučeninami, což ztěžuje jejich zachycení monitorovacími přístroji. Navíc může mít tento plyn velmi krátkou životnost – někdy jen několik dní. „Čpavek je hrozný,“ říká inženýr životního prostředí Mark Zondlo z Princetonské univerzity. „Je to skutečně jeden z nejhůře měřitelných plynů v atmosféře.“
Na celém světě pomáhají nové pozemní, vzdušné a vesmírné senzory lépe objasnit zdroje, pohyb a osud amoniaku. Zlepšené monitorování přichází v době, kdy některé státy, včetně Velké Británie, usilují o snížení emisí amoniaku. Jiné země, včetně Spojených států, však omezení amoniaku nepovažují za prioritu, částečně kvůli nejistotě ohledně zdrojů a také kvůli obavám, že nákladné kontroly by mohly jen málo přispět ke zlepšení kvality ovzduší. Místo toho se regulační orgány často zaměřují na jiné klíčové složky smogu, včetně oxidů dusíku a síry vznikajících při spalování.
Zaměření na amoniak se však pravděpodobně zintenzivní. Celosvětové emise tohoto plynu se za posledních 70 let zdvojnásobily a podle prognóz budou i nadále stoupat, z velké části kvůli rostoucí poptávce po chemických hnojivech. To vyvolává tlak na vědce a regulační orgány, aby lépe pochopili důsledky pro kvalitu ovzduší.
Smog zaplnil ulici v centru Salt Lake City v prosinci 2017.
George Frey/REUTERS
Letos v létě stál atmosférický vědec Jeff Collett z Coloradské státní univerzity ve Fort Collins na mýtině v národním parku Rocky Mountain obklopen přístroji, které upozorňovaly na to, jak náročné je sledování amoniaku. Ostatní látky znečišťující ovzduší, jako je ozon a oxid uhelnatý, jsou obvykle monitorovány sítěmi automatických přístrojů, které shromažďují a předávají data v reálném čase. Aby však mohl Collettův tým sledovat amoniak, musí se několikrát týdně vydat na hodinovou cestu z kampusu do terénu, aby ručně odebral vzorky ze svých přístrojů.
Jeden z nich je jednoduchý kbelík, který sbírá dešťovou vodu, kterou vědci analyzují, aby zjistili, kolik amoniaku se zachytilo ve vodní páře. Další se spoléhá na houbu potaženou kyselinou, která plyn absorbuje. (Amoniak, který je zásadou, ochotně reaguje s kyselinami.) K dispozici je také skleněná spirála potažená kyselinou, která ze vzorků vzduchu odstraňuje lepkavé molekuly amoniaku, než oddělí ostatní složky pevných částic.
Je to náročný proces, ale vzorky jsou důležité pro Collettovu snahu zdokumentovat, jak se amoniak unáší z farem vzdálených asi 80 kilometrů v Greeley v Coloradu do parku, kde tato živina může poškodit citlivé ekosystémy, a do Denveru, kde přispívá ke smogu. Práce probíhající od roku 2011 pomohla zpřesnit obraz zdrojů a pohybu amoniaku v regionu. Když například coloradské farmářské skupiny tvrdily, že golfová hřiště hrají v emisích amoniaku převažující roli, protože hojně používají hnojiva, Collett umístil monitor poblíž místního golfového hřiště a ukázal, že to není pravda; větším zdrojem jsou farmy. Monitorování také umožnilo státu zavést systém, který varuje zemědělce, když se předpokládá, že povětrnostní podmínky budou tlačit amoniak směrem k Denveru, a povzbuzuje je, aby dobrovolně omezili používání hnojiv a zakrývali hromady hnoje.
Čerstvě z farmy
Zemědělské oblasti mohou být významnými zdroji amoniaku (NH3, tmavé plochy), zejména během vegetačního období, kdy je používání kapalných hnojiv vysoké. Lesní požáry (některé žluté oblasti u horního okraje mapy) mohou rovněž vytvářet oblaka této sloučeniny.
Jinde zase jiné monitorovací snahy – včetně národní sítě 66 míst provozované agenturou EPA, která hlásí údaje každé dva týdny – vykreslily větší obraz celého kontinentu, včetně toho, jak se emise amoniaku mohou lišit podle počasí a ročního období. Pokroky v mobilním monitorování umožnily rychlejší sběr měření, jako je to Collettovo. A od roku 2008 umožňují satelity NASA globální pohled na čpavek v atmosféře. Tyto nástroje pomáhají vědcům sestavit úplnější obraz o zdrojích amoniaku, včetně lesních požárů, které podle odhadů uvolňováním této sloučeniny z rostlin produkují 10 % celosvětových emisí amoniaku.
„Před deseti lety jsme měli možná tucet dlouhodobých měření po celé zemi a jen jedno nebo dvě měření z letadel vůbec,“ říká atmosférický chemik Daven Henze z Coloradské univerzity v Boulderu. „Nyní jsme schopni pravidelně získávat informace o načasování, velikosti, variabilitě a zdrojích.“
Málokteré úsilí o inventarizaci amoniaku však bylo tak důkladné jako to, které se uskutečnilo v oblasti Salt Lake City v zimě 2017. Dvě inverzní události zdokumentované pozemní a leteckou kampaní trvaly každá déle než týden a výzkumníkům se podařilo shromáždit pozorování v každém ze tří hlavních údolí oblasti: Salt Lake, Cache a Utah.
Existující bilance zdrojů amoniaku v Utahu naznačovaly, že hladiny amoniaku budou v každém ze tří údolí podobné. Ve skutečnosti vědci zjistili, že se hladiny liší podle zeměpisné polohy – a že hodnoty jsou vyšší, než očekávali.
Nyní se Murphy a spříznění vědci snaží pochopit tyto rozdíly a zjistit, odkud amoniak pochází. Tým využívá síť pozemních monitorů v kombinaci s leteckými měřeními, aby zmapoval koncentrace amoniaku ve městě. Zkoumají větrné poměry, aby zjistili, jak se amoniak může šířit z blízkých zemědělských oblastí. A hledají zdroje, které mohly být přehlédnuty.
Automobily v městských oblastech mohou například přispívat větším množstvím amoniaku, než se dosud předpokládalo. V jedné nedávné studii Zondlo nasadil mobilní přístroje, které pomocí laserů měří čpavkové zplodiny vypouštěné vozidly ve městech ve Spojených státech a v Číně. Zjistil, že vozidla – která produkují amoniak jako vedlejší produkt svých katalyzátorů čistících emise – vypouštějí přibližně dvakrát více amoniaku, než se předpokládalo. „Ve velkém měřítku byla vozidla poměrně malým zdrojem,“ poznamenává. Přesto by podle něj mohly tyto emise hrát důležitou roli při znečišťování ovzduší pevnými částicemi ve městech, protože amoniak vzniká v těsné blízkosti dalších sloučenin vznikajících při spalování, které jsou palivem pro vznik částic PM2,5.
V Utahu státní regulační orgány doufají, že lepší pochopení zdrojů amoniaku v Salt Lake City jim pomůže vytvořit lepší počítačové simulace znečištění ovzduší, které mohou být klíčem k nalezení řešení. Pokud se například ukáže, že amoniak je do města unášen z farem v sousedních údolích, mohl by se stát pokusit tyto zdroje omezit – třeba tím, že požádá zemědělce, aby omezili používání hnojiv – v době, kdy je počasí zralé na inverzi. Tato strategie by však nemusela mít smysl, pokud by se ukázalo, že městské zdroje čpavku, jako jsou automobily, hrají větší roli v chemii, která vytváří smog. „Vzhledem k tolika faktorům musíme pochopit celý obraz,“ říká Murphy.
Regulátoři si také chtějí být jisti, že potenciálně nákladné kontroly na farmách nebo u jiných zdrojů amoniaku přinesou užitek, což znamená prolomení chemického složení smogu. Například ve Spojených státech stávající regulace znečištění ovzduší prudce snížily koncentrace oxidů dusíku v atmosféře, což znamená, že je k dispozici méně molekul těchto sloučenin, které se mohou spojit s amoniakem a vytvořit pevné částice. Snížení emisí amoniaku tedy nemusí mít velký význam v oblastech, kde je již nedostatek jiných složek smogu. V jiných oblastech by však omezení emisí amoniaku mohlo být klíčem ke snížení množství pevných částic. „Stále nejsme na místě,“ říká Murphy, „kde bychom vůbec mohli říci, že obtížná opatření budou mít nějaký dopad.“
Situace je zcela odlišná v Evropě, kde regulační orgány pro životní prostředí již dlouho upírají pozornost na amoniak, částečně kvůli obavám z jeho vlivu na ekosystémy. (Čpavek se například může vyluhovat do potoků a řek, kde může být toxický pro vodní organismy.) Evropská hospodářská komise, odnož Organizace spojených národů, stanovila v roce 2012 limity pro amoniak a evropské země použily různé strategie, aby od roku 1990 snížily celkové emise ze zemědělství o 24 %. Například Německo zavedlo limity pro používání některých druhů hnojiv na hektar a Nizozemsko vytvořilo finanční pobídky pro efektivnější používání hnojiv.
Na začátku tohoto roku představila Velká Británie rozsáhlý plán na zlepšení kvality ovzduší, který zahrnuje plány na snížení emisí amoniaku ze zemědělství o 16 % do roku 2030. Tento krok přišel v návaznosti na zjištění britské agentury pro životní prostředí, že amoniak byl jedinou hlavní látkou znečišťující ovzduší v zemi, která od roku 2013 vzrostla, a že emise ze zemědělských podniků budou bez „naléhavých opatření“ nadále stoupat. Tento trend ohrožuje snahu vlády snížit do roku 2025 na polovinu počet lidí, kteří dýchají vzduch s hodnotami PM2,5, jež Světová zdravotnická organizace (WHO) považuje za nebezpečné. (Norma WHO pro pevné částice je 10 mikrogramů PM2,5 na metr krychlový vzduchu v průměru za rok; roční norma USA je 12 µg/m3)
Aby vláda dosáhla snížení emisí amoniaku, plánuje požadovat po zemědělcích, aby omezili používání hnojiv a zakrývali hromady hnoje, a zavede přísnější kontroly mlékárenských provozů. Zemědělský průmysl, s nímž byl plán konzultován, se k němu staví vesměs vstřícně. Zemědělci již dobrovolně přijali podobná opatření, poznamenali představitelé odvětví, a uvítali plány vlády na pomoc při financování zavádění technologií pro kontrolu amoniaku.
Klíčem k omezení emisí by mohla být kontrola zdrojů amoniaku na farmách, jako je tato hromada kuřecího hnoje v Marylandu.
EDWIN REMSBERG/ALAMY STOCK PHOTO
Jiné země s vysokými emisemi amoniaku zatím nejsou připraveny následovat Spojené království. Čína, která je známá jako světové ohnisko emisí amoniaku, ale nemá spolehlivou evidenci zdrojů, tuto sloučeninu nereguluje. Stejně tak Spojené státy, ačkoli agentura EPA považuje amoniak za prekurzor částic PM2,5.
Jedním z velkých problémů, kterým čelí americké regulační orgány, je nedostatek komplexních údajů o zdrojích amoniaku. „Je těžké něco regulovat, když to neměříte,“ říká Collett. Americké zemědělské skupiny doposud odmítaly snahy vyžadovat od zemědělců hlášení emisí amoniaku s tím, že by to bylo zbytečně zatěžující. V roce 2013 však EPA zahájila dvouletou studii monitorování amoniaku ve spolupráci s vepřovým, mlékárenským a drůbežářským průmyslem, která zahrnovala 24 míst v devíti státech. Projekt byl však zastaven poté, co vědečtí poradci agentury kritizovali kvalitu shromažďovaných údajů.
Pokud by EPA přistoupila k regulaci amoniaku, překážkou by pravděpodobně byla politika. Zemědělské skupiny argumentovaly, že vzhledem k tomu, že tento plyn má mnoho zdrojů a může se šířit na velké vzdálenosti, musela by být jakákoli kontrola pečlivě navržena; náprava by nebyla tak jednoduchá jako například instalace chemického čističe v elektrárně. Upozorňují také, že zemědělci již podnikli dobrovolné kroky k omezení emisí, například snížili množství prekurzorů amoniaku používaných v krmivech pro zvířata a změnili postupy hospodaření s hnojem.
Přesto by americké regulační orgány mohly čelit tlaku, aby jednaly, pokud studie ze Salt Lake City a dalších měst poskytnou důkazy, že amoniak se stal významnou příčinou znečištění pevnými částicemi. A přinejmenším jeden z vědců se domnívá, že odpovědi by mohly přijít dříve než později – „za několik let, nikoliv desetiletí“, předpovídá Henze, který zasedá v poradním panelu EPA zabývajícím se touto problematikou. Říká, že „EPA nebyla ochotna posunout tuto otázku kupředu kvůli nejistotě“ týkající se amoniaku. „Nyní tuto nejistotu překonáváme.“
.