PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY – Zimy mogą być tu toksyczne. Przez wiele dni, a nawet tygodni, gęsta mgła osiada nad tym miastem narciarzy i wędrowców, ponieważ zanieczyszczone powietrze zostaje uwięzione w kotlinie otoczonej górami. Trudno jest dostrzec następny samochód na drodze. Wizyty w szpitalach z powodu zapalenia płuc i astmy wzrastają, szkoły zawieszają przerwy na świeżym powietrzu, a nawet zdrowi mieszkańcy skarżą się na drapanie w gardle i napady kaszlu.
Meteorolodzy mówią, że zjawisko, znane jako inwersja, jest łatwe do wyjaśnienia: System wysokiego ciśnienia zatrzymuje zimne powietrze w kotlinie, nakładając pokrywę na zanieczyszczenia. Ale specyficzne składniki smogu i ich wzajemne oddziaływanie w atmosferze są do tej pory zagadką. I jest coraz większa presja, aby ją rozwiązać: Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) osądziła miasto jako „poważne” naruszenie norm czystego powietrza przez część każdego roku, zobowiązując urzędników państwowych do przedstawienia planu zmniejszenia zagrożenia – coś, czego do tej pory nie byli w stanie zrobić.
W zeszłym roku, aby pomóc w opracowaniu tego planu, naukowcy z sześciu uniwersytetów i kilku stanowych i federalnych agencji rozpoczęli bezprecedensowy wysiłek, aby lepiej zrozumieć dokładny skład chemiczny i źródła zanieczyszczeń. Podczas dwóch inwersji, które trwały w sumie 17 dni, zebrali oni dane z samolotów, balonów i stacji naziemnych.
Szeroki zakres tego, co znaleźli, był niewielką niespodzianką. Mgła składała się głównie z małych cząstek, mniej niż 2.5 mikronów średnicy (PM2.5), które mogą zalegać w płucach i przyczynić się do przedwczesnej śmierci. Niektóre z tych cząstek to kurz, dym lub sadza, ale około trzy czwarte składało się z azotanu amonu. Tworzy się, gdy tlenki azotu produkowane przez pojazdy, piece i urządzenia przemysłowe łączą się z amoniakiem, który zazwyczaj unosi się z gospodarstw, które używają nawozów płynnych na bazie amoniaku lub produkują sterty odchodów zwierzęcych.
Badacze byli zaskoczeni, jednak, przez poziomy czystego amoniaku, które zmierzyli, biorąc pod uwagę, że gospodarstwa w Utah są głównie bezczynne w zimie. „Zazwyczaj nie myślimy o miesiącach zimowych jako o wielkich miesiącach dla amoniaku,” mówi chemik Jennifer Murphy z Uniwersytetu Toronto w Kanadzie, która brała udział w badaniu. Naukowcy i regulatorzy próbują teraz ustalić dokładnie, dlaczego te poziomy były tak wysokie i czy zmniejszenie tych emisji mogłoby pomóc oczyścić powietrze nad tym, co niektórzy mieszkańcy nazwali „Smog Lake City.”
Pomimo swojej obfitości, rola bezbarwnego, ostro pachnącego i męczącego oczy gazu w śmiertelnym zanieczyszczeniu powietrza jest słabo zrozumiała. Po części dlatego, że jest on notorycznie trudny do wytropienia. Cząsteczki amoniaku są „lepkie” i chętnie łączą się z innymi związkami, co utrudnia ich wychwycenie przez instrumenty monitorujące. Ponadto gaz ten może mieć bardzo krótki czas życia – czasami zaledwie kilka dni. „Amoniak jest okropny” – mówi inżynier środowiska Mark Zondlo z Uniwersytetu Princeton. „To naprawdę jeden z najgorszych gazów do pomiaru w atmosferze.”
Na całym świecie nowe czujniki naziemne, powietrzne i kosmiczne pomagają lepiej poznać źródła, ruchy i losy amoniaku. Ulepszony monitoring pojawia się w momencie, gdy niektóre kraje, w tym Wielka Brytania, starają się ograniczyć emisję amoniaku. Jednak inne kraje, w tym Stany Zjednoczone, nie uczyniły z ograniczenia emisji amoniaku priorytetu, częściowo z powodu niepewności co do źródeł, jak również obaw, że kosztowne kontrole mogą w niewielkim stopniu poprawić jakość powietrza. Zamiast tego, organy regulacyjne często decydowały się na inne kluczowe składniki smogu, w tym tlenki azotu i siarki powstające w wyniku spalania.
Ale skupienie się na amoniaku prawdopodobnie się nasili. Globalne emisje tego gazu podwoiły się w ciągu ostatnich 70 lat i przewiduje się, że będą nadal rosły, w dużej mierze z powodu rosnącego zapotrzebowania na nawozy chemiczne. To wywarło presję na naukowców i organy regulacyjne, aby lepiej zrozumieć implikacje dla jakości powietrza.
Smog wypełnia śródmiejską ulicę w Salt Lake City w grudniu 2017 roku.
George Frey/REUTERS
Tego lata naukowiec zajmujący się atmosferą Jeff Collett z Colorado State University w Fort Collins stał na polanie w Rocky Mountain National Park otoczony instrumentami, które podkreślały właśnie, jak dużym wyzwaniem jest śledzenie amoniaku. Inne zanieczyszczenia powietrza, takie jak ozon i tlenek węgla, są zazwyczaj monitorowane przez sieci zautomatyzowanych instrumentów, które zbierają i przekazują dane w czasie rzeczywistym. Ale aby śledzić amoniak, zespół Colletta musi odbyć godzinną podróż z kampusu na pole kilka razy w tygodniu, aby ręcznie zebrać próbki ze swoich instrumentów.
Jednym z nich jest proste wiadro, które zbiera deszczówkę, którą badacze analizują, aby zobaczyć ile amoniaku zostało uwięzione w parze wodnej. Inny polega na gąbce pokrytej kwasem w celu pochłonięcia gazu. (Amoniak, jako zasada, chętnie reaguje z kwasami). Istnieje również szklana spirala pokryta kwasem, która usuwa lepkie cząsteczki amoniaku z próbek powietrza przed oddzieleniem innych składników cząstek stałych.
To drobiazgowy proces, ale próbki są istotne dla wysiłków Collett’a w celu udokumentowania jak amoniak dryfuje z farm około 80 kilometrów dalej w Greeley, Colorado, do parku, gdzie składnik odżywczy może uszkodzić wrażliwe ekosystemy, i do Denver, gdzie przyczynia się do smogu. Prace te, prowadzone od 2011 roku, pomogły wyostrzyć obraz źródeł i przemieszczania się amoniaku w regionie. Na przykład, kiedy grupy farmerów z Kolorado argumentowały, że pola golfowe odgrywają największą rolę w emisji amoniaku z powodu ich liberalnego stosowania nawozów, Collett zainstalował monitor w pobliżu lokalnego pola golfowego i wykazał, że to nieprawda; większym źródłem były farmy. Monitorowanie umożliwiło również stanowi ustanowienie systemu, który ostrzega rolników, gdy przewiduje się, że warunki pogodowe będą pchać amoniak w kierunku Denver, zachęcając ich do dobrowolnego ograniczenia stosowania nawozów i przykrycia stosów obornika.
Świeże z farmy
Regiony rolnicze mogą być głównymi źródłami amoniaku (NH3, ciemne obszary), zwłaszcza w sezonie wegetacyjnym, gdy stosowanie nawozów płynnych jest wysokie. Dzikie pożary (niektóre żółte obszary w pobliżu górnej części mapy) mogą również wytwarzać smugi tego związku.
Gdzie indziej, inne wysiłki w zakresie monitorowania – w tym 66-miejscowa krajowa sieć prowadzona przez EPA, która zgłasza odczyty co 2 tygodnie – namalowały większy, obejmujący cały kontynent obraz, w tym to, jak emisje amoniaku mogą się różnić w zależności od pogody i pory roku. Postępy w mobilnym monitoringu umożliwiły szybsze zbieranie pomiarów takich jak te Collett’a. A od 2008 roku, satelity NASA zapewniają globalne spojrzenie na sygnaturę amoniaku w atmosferze. Takie narzędzia pomagają naukowcom zebrać pełniejszy obraz źródeł amoniaku, w tym dzikich pożarów, które szacuje się, że wytwarzają 10% globalnej emisji amoniaku poprzez uwalnianie tego związku z roślin.
„Dekadę temu mieliśmy może tuzin długoterminowych pomiarów w całym kraju i tylko jeden lub dwa pomiary lotnicze”, mówi chemik atmosfery Daven Henze z Uniwersytetu Kolorado w Boulder. „Teraz jesteśmy w stanie regularnie uzyskiwać informacje o czasie, wielkości, zmienności i źródłach.”
Niewiele wysiłków zmierzających do inwentaryzacji amoniaku było jednak tak dokładnych, jak ten podjęty w regionie Salt Lake City zimą 2017 roku. Dwa zdarzenia inwersyjne udokumentowane przez kampanię naziemną i powietrzną trwały po ponad tydzień, a badacze byli w stanie zebrać obserwacje w każdej z trzech głównych dolin tego obszaru: Salt Lake, Cache i Utah.
Istniejące zestawienia źródeł amoniaku w Utah sugerowały, że poziomy amoniaku będą podobne w każdej z trzech dolin. W rzeczywistości badacze odkryli, że poziomy różniły się w zależności od położenia geograficznego – i że odczyty były wyższe niż się spodziewali.
Teraz Murphy i sprzymierzeni badacze pracują nad zrozumieniem tego zróżnicowania i ustaleniem, skąd pochodzi amoniak. Zespół używa sieci monitorów naziemnych, w połączeniu z pomiarami lotniczymi, do mapowania stężenia amoniaku w mieście. Badają wzorce wiatru, aby sprawdzić, w jaki sposób amoniak może przenosić się z pobliskich obszarów rolniczych. I szukają źródeł, które mogły zostać przeoczone.
Samochody w obszarach miejskich, na przykład, mogą przyczyniać się do większej ilości amoniaku niż wcześniej rozumiano. W jednym z ostatnich badań, Zondlo rozmieścił mobilne instrumenty wykorzystujące lasery do pomiaru smug amoniaku uwalnianych przez pojazdy w miastach w Stanach Zjednoczonych i Chinach. Odkrył on, że pojazdy – które wytwarzają amoniak jako produkt uboczny swoich katalizatorów oczyszczających emisje – emitują około dwa razy więcej amoniaku niż zakładano. „W ogólnym rozrachunku, pojazdy były dość małym źródłem” – zauważa. Mimo to, emisje mogą odgrywać ważną rolę w zanieczyszczeniu cząstkami stałymi w miastach, mówi, ponieważ amoniak jest produkowany w bliskiej odległości od innych związków spalania, które napędzają tworzenie PM2.5.
W Utah, stanowe organy regulacyjne mają nadzieję, że lepsze zrozumienie źródeł amoniaku w Salt Lake City pomoże im zbudować ulepszone symulacje komputerowe zdarzeń zanieczyszczenia powietrza, które mogą być kluczowe dla identyfikacji rozwiązań. Na przykład, jeśli okaże się, że amoniak przedostaje się do miasta z farm w sąsiednich dolinach, stan mógłby spróbować ograniczyć te źródła – być może prosząc rolników o ograniczenie stosowania nawozów – kiedy pogoda dojrzewa do inwersji. Ale ta strategia może nie mieć sensu, jeśli miejskie źródła amoniaku, takie jak samochody, okażą się odgrywać większą rolę w napędzaniu chemii, która produkuje smog. „Przy tak wielu czynnikach musimy zrozumieć pełen obraz sytuacji” – mówi Murphy.
Regulatorzy chcą być również pewni, że potencjalnie kosztowne kontrole na farmach lub innych źródłach amoniaku przyniosą korzyści, co oznacza rozbicie chemicznego składu smogu. W Stanach Zjednoczonych, na przykład, istniejące przepisy dotyczące zanieczyszczenia powietrza gwałtownie zmniejszyły stężenie atmosferyczne tlenków azotu, co oznacza, że mniej cząsteczek tych związków jest dostępnych do łączenia się z amoniakiem i tworzenia cząstek stałych. Tak więc, zmniejszenie emisji amoniaku może nie mieć większego znaczenia w obszarach, gdzie inne składniki smogu są już w niedoborze. W innych obszarach, jednak, dławienie smug amoniaku może być kluczem do zmniejszenia cząstek stałych. „Wciąż nie jesteśmy w miejscu”, mówi Murphy, „gdzie możemy nawet powiedzieć, że trudne środki będą miały wpływ.”
Sytuacja jest zupełnie inna w Europie, gdzie regulatorzy środowiskowi od dawna kładą nacisk na amoniak, częściowo z powodu obaw o jego wpływ na ekosystemy. (Amoniak może przedostawać się do strumieni i rzek, na przykład, gdzie może być toksyczny dla organizmów wodnych). Europejska Komisja Gospodarcza, odłam Organizacji Narodów Zjednoczonych, ustaliła limity amoniaku w 2012 roku, a kraje europejskie zastosowały różne strategie, aby zmniejszyć całkowitą emisję z rolnictwa o 24% od 1990 roku. Niemcy, na przykład, wprowadziły limity na hektar na wykorzystanie niektórych rodzajów nawozów, a Holandia stworzyła zachęty finansowe dla bardziej efektywnego wykorzystania nawozów.
Na początku tego roku, Wielka Brytania przedstawiła obszerny plan dotyczący jakości powietrza, który obejmuje plany ograniczenia emisji amoniaku z rolnictwa o 16% do 2030 roku. Ruch ten nastąpił w następstwie ustaleń brytyjskiej Agencji Ochrony Środowiska, według której amoniak był jedynym głównym zanieczyszczeniem powietrza w kraju, które wzrosło od 2013 r., a emisje z gospodarstw rolnych będą nadal rosły bez „pilnych działań”. Ten trend zagroził rządowej ofercie zmniejszenia o połowę, do 2025 roku, liczby osób oddychających powietrzem o poziomie PM2,5 uznanym za niebezpieczny przez Światową Organizację Zdrowia (WHO). (Norma WHO cząstek stałych jest 10 mikrogramów PM2.5 na metr sześcienny powietrza, uśrednione w ciągu roku; USA roczna norma jest 12 µg/m3.)
Aby osiągnąć cięcia amoniaku, rząd planuje wymagać od rolników do ograniczenia stosowania nawozów i pokryć stosy obornika, i będzie nakładać ściślejsze kontrole na operacje mleczarskie. Przemysł rolniczy, który był konsultowany w sprawie planu, był w dużej mierze otwarty. Rolnicy już dobrowolnie podjęli podobne kroki, zauważyli urzędnicy branżowi, i z zadowoleniem przyjęli plany rządowe dotyczące pomocy w finansowaniu wdrażania technologii kontroli amoniaku.
Zarządzanie źródłami amoniaku w gospodarstwach, takimi jak ta sterta nawozu kurzego w Maryland, może być kluczem do ograniczenia emisji.
EDWIN REMSBERG/ALAMY STOCK PHOTO
Inne narody z dużymi emisjami amoniaku nie są jeszcze gotowe, aby pójść w ślady Wielkiej Brytanii. Chiny, które są znane jako globalny punkt zapalny emisji amoniaku, ale nie mają wiarygodnego wykazu źródeł, nie regulują tego związku. Nie robią tego również Stany Zjednoczone, chociaż EPA uważa amoniak za prekursora PM2.5.
Jednym wielkim problemem stojącym przed amerykańskimi regulatorami jest brak wyczerpujących danych na temat źródeł amoniaku. „Trudno jest coś regulować, jeśli się tego nie mierzy”, mówi Collett. Amerykańskie grupy rolnicze do tej pory odrzuciły wysiłki, aby wymagać od rolników raportowania emisji amoniaku, argumentując, że wysiłek ten byłby niepotrzebnie uciążliwy. W 2013 roku, EPA rozpoczęła 2-letnie badania monitorowania amoniaku, w porozumieniu z przemysłem wieprzowym, mleczarskim i drobiarskim, obejmujące 24 miejsca w dziewięciu stanach. Ale projekt został wstrzymany po tym, jak doradcy naukowi agencji skrytykowali jakość danych, które były zbierane.
Gdyby EPA realizowała przepisy dotyczące amoniaku, polityka prawdopodobnie stanowiłaby przeszkodę. Grupy rolnicze argumentowały, że ponieważ gaz ma wiele źródeł i może dryfować na duże odległości, wszelkie kontrole musiałyby być starannie zaprojektowane; poprawka nie byłaby tak prosta jak, na przykład, zainstalowanie płuczki chemicznej w elektrowni. Zauważają również, że rolnicy już podjęli dobrowolne kroki w celu ograniczenia emisji, takie jak zmniejszenie ilości prekursorów amoniaku stosowanych w paszach dla zwierząt i zmiana praktyk zarządzania obornikiem.
Jeszcze, amerykańskie organy regulacyjne mogą stanąć pod presją działania, jeśli badania z Salt Lake City i innych miejsc dostarczą dowodów, że amoniak stał się ważnym czynnikiem zanieczyszczenia cząstkami stałymi. I przynajmniej jeden naukowiec wierzy, że odpowiedzi mogą nadejść wcześniej niż później – w „latach, nie dekadach”, przewiduje Henze, który zasiada w panelu doradczym EPA rozważającym tę kwestię. Jak mówi, „EPA nie była chętna, aby popchnąć piłkę do przodu z powodu niepewności” otaczającej amoniak. „Teraz przełamujemy tę niepewność”
.