PIERCING THE HAZE
SALT LAKE CITY-Vintrarna kan vara giftiga här. I dagar eller till och med veckor lägger sig en tjock dimma över denna stad med skidåkare och vandrare, när förorenad luft fastnar i en bassäng som omges av berg. Det kan vara svårt att se nästa bil på vägen. Sjukhusbesöken för lunginflammation och astma ökar kraftigt, skolorna ställer in rasterna utomhus och även friska invånare klagar på att de får klåda i halsen och hosta.
Meteorologer säger att fenomenet, som kallas inversion, är lätt att förklara: Ett högtryckssystem fångar in kall luft i bassängen och lägger ett lock över föroreningarna. Men smogens specifika beståndsdelar och hur de interagerar i atmosfären har varit något av ett mysterium. Och trycket på att lösa det ökar: Den amerikanska miljöskyddsbyrån (EPA) har bedömt att staden under en del av varje år bryter mot normerna för ren luft på ett ”allvarligt” sätt, vilket tvingar de statliga tjänstemännen att ta fram en plan för att minska hotet – något som de hittills inte har kunnat göra.
Förra året, i ett försök att hjälpa till att ta fram en sådan plan, inledde forskare från sex universitet och flera statliga och federala organ en aldrig tidigare skådad satsning för att bättre förstå föroreningarnas exakta kemiska sammansättning och källor. Under två inversioner som varade i sammanlagt 17 dagar samlade de in data från flygplan, ballonger och markstationer.
De stora dragen i vad de fann kom inte som någon större överraskning. Dimman bestod mestadels av små partiklar, mindre än 2,5 mikrometer i diameter (PM2,5), som kan fastna i lungorna och bidra till för tidig död. En del av partiklarna var damm, rök eller sot, men ungefär tre fjärdedelar bestod av ammoniumnitrat. Det bildas när kväveoxider som produceras av fordon, ugnar och industriell utrustning kombineras med ammoniak, som vanligen vajar från gårdar som använder ammoniakbaserade flytande gödselmedel eller producerar högar med stallgödsel.
Forskarna förvånades dock av de halter av ren ammoniak som de uppmätte, med tanke på att gårdarna i Utah mestadels ligger sysslolösa på vintern. ”Vi tänker vanligtvis inte på att vintermånaderna är stora månader för ammoniak”, säger kemisten Jennifer Murphy från University of Toronto i Kanada, som deltog i studien. Forskare och tillsynsmyndigheter försöker nu fastställa exakt varför nivåerna var så höga och om en minskning av dessa utsläpp skulle kunna bidra till att rena luften i det som vissa invånare har kommit att kalla ”Smog Lake City”.
Trots dess rikliga förekomst är den färglösa, skarpt luktade och ögongivande gasens roll i den dödliga luftföroreningen dåligt förstådd. Delvis beror det på att den är notoriskt svår att spåra. Ammoniakmolekyler är ”klibbiga” och kombinerar sig gärna med andra föreningar, vilket gör det svårt för övervakningsinstrument att fånga upp dem. Och gasen kan ha en mycket kort livslängd – ibland bara några få dagar. ”Ammoniak är hemskt”, säger miljöingenjör Mark Zondlo vid Princeton University. ”Det är verkligen en av de värsta gaserna att mäta i atmosfären.”
Runt om i världen bidrar nya mark-, luft- och rymdbaserade sensorer till att göra ammoniakens källor, rörelser och öde tydligare. Den förbättrade övervakningen kommer i samband med att vissa länder, däribland Storbritannien, tar initiativ till att minska ammoniakutsläppen. Men andra, däribland USA, har inte prioriterat att begränsa ammoniakutsläppen, delvis på grund av osäkerheten kring källorna och på grund av farhågor om att kostsamma kontroller inte kommer att förbättra luftkvaliteten särskilt mycket. I stället har tillsynsmyndigheterna ofta valt att inrikta sig på andra viktiga smogkomponenter, bland annat kväveoxider och svavel som bildas vid förbränning.
Men fokuseringen på ammoniak kommer sannolikt att intensifieras. De globala utsläppen av gasen har fördubblats under de senaste 70 åren och beräknas fortsätta att öka, till stor del på grund av den ökande efterfrågan på kemiska gödningsmedel. Det har satt press på forskare och tillsynsmyndigheter att bättre förstå konsekvenserna för luftkvaliteten.
Smog fyller en gata i centrum av Salt Lake City i december 2017.
George Frey/REUTERS
I somras stod atmosfärsforskaren Jeff Collett från Colorado State University i Fort Collins i en glänta i Rocky Mountain National Park omgiven av instrument som belyste hur utmanande det är att spåra ammoniak. Andra luftföroreningar, t.ex. ozon och kolmonoxid, övervakas i allmänhet av nätverk av automatiserade instrument som samlar in och vidarebefordrar data i realtid. Men för att spåra ammoniak måste Colletts team göra en timslång resa från campus till fältet flera gånger i veckan för att manuellt samla in prover från sina instrument.
En är en enkel hink som samlar upp regnvatten, som forskarna analyserar för att se hur mycket ammoniak som har fastnat i vattenånga. En annan förlitar sig på en svamp som är belagd med en syra för att absorbera gasen. (Ammoniak, som är en bas, reagerar gärna med syror.) Det finns också en syrabelagd glasspiral som tar bort de klibbiga ammoniakmolekylerna från luftproverna innan den separerar andra komponenter av partikulärt material.
Det är en finurlig process, men proverna är viktiga för Colletts försök att dokumentera hur ammoniak driver från gårdar cirka 80 kilometer bort i Greeley, Colorado, in i parken, där näringsämnet kan skada känsliga ekosystem, och in i Denver, där det bidrar till smog. Arbetet, som pågått sedan 2011, har bidragit till att förbättra bilden av regionens ammoniakkällor och ammoniakförflyttningar. När jordbruksgrupper i Colorado till exempel hävdade att golfbanor spelade en överdriven roll för ammoniakutsläppen på grund av deras generösa gödselanvändning, satte Collett upp en mätare i närheten av en lokal golfbana och visade att det inte stämde; jordbruken var den större källan. Övervakningen har också gjort det möjligt för delstaten att inrätta ett system som varnar jordbrukare när väderförhållanden förutspås driva ammoniak mot Denver, vilket uppmuntrar dem att frivilligt begränsa gödseltillämpningen och täcka gödselhögar.
Färsk från gården
Lantbruksregioner kan vara stora källor till ammoniak (NH3, mörka områden), särskilt under växtsäsongen när användningen av flytande gödselmedel är stor. Vildbränder (vissa gula områden nära kartans överkant) kan också producera plymer av ämnet.
An andra ställen har andra övervakningsinsatser – inklusive ett nationellt nätverk med 66 platser som drivs av EPA och som rapporterar avläsningar varannan vecka – målat upp en större, kontinental bild, bland annat hur ammoniakutsläppen kan variera beroende på väder och säsong. Framsteg inom mobil övervakning har gjort det möjligt att snabbare samla in mätningar som Colletts. Sedan 2008 har NASA:s satelliter gett en global bild av ammoniakens signatur i atmosfären. Sådana verktyg hjälper forskarna att få en mer fullständig bild av ammoniakkällorna, inklusive skogsbränder, som beräknas stå för 10 % av de globala ammoniakutsläppen genom att släppa ut ämnet från växter.
”För tio år sedan hade vi kanske ett dussin långtidsmätningar runt om i landet, och bara en eller två flygplansmätningar någonsin”, säger atmosfärkemisten Daven Henze vid University of Colorado i Boulder. ”Nu kan vi regelbundet få information om tidpunkt, omfattning, variabilitet och källor.”
Få insatser för att inventera ammoniak har dock varit så grundliga som den som genomfördes i Salt Lake City-regionen vintern 2017. De två inversionshändelser som dokumenterades av mark- och flygkampanjen varade vardera mer än en vecka, och forskarna kunde samla in observationer i var och en av områdets tre stora dalar: Salt Lake City, Cache och Utah.
Existerande sammanställningar av Utahs ammoniakkällor tydde på att ammoniaknivåerna skulle vara liknande i var och en av de tre dalarna. I själva verket fann forskarna att nivåerna varierade beroende på geografi – och att avläsningarna var högre än vad de förväntade sig.
Nu arbetar Murphy och allierade forskare för att förstå denna variation och ta reda på var ammoniaken kommer ifrån. Teamet använder sig av ett nätverk av markbaserade monitorer, kombinerat med flygmätningar, för att kartlägga ammoniakkoncentrationerna i staden. De undersöker vindmönster för att se hur ammoniak kan driva in från närliggande jordbruksområden. Och de letar efter källor som kanske har förbisetts.
Bilar i stadsområden kan till exempel bidra med mer ammoniak än vad man tidigare har förstått. I en nyligen genomförd studie använde Zondlo mobila instrument som använder lasrar för att mäta ammoniakpuffar som släpps ut av fordon i städer i USA och Kina. Han fann att fordonen – som producerar ammoniak som en biprodukt från sina katalysatorer som renar utsläppen – släpper ut ungefär dubbelt så mycket ammoniak som man antagit. ”I det stora hela var fordonen en ganska liten källa”, konstaterar han. Utsläppen kan ändå spela en viktig roll för partikelföroreningar i städerna, säger han, eftersom ammoniaken produceras i nära anslutning till andra förbränningsämnen som ger bränsle till PM2.5.
I Utah hoppas de statliga tillsynsmyndigheterna att en bättre förståelse för Salt Lake Citys ammoniakkällor kommer att hjälpa dem att bygga upp bättre datorsimuleringar av luftföroreningar, vilket kan vara nyckeln till att hitta lösningar. Om det till exempel visar sig att ammoniak flyter in i staden från jordbruk i angränsande dalar kan staten försöka begränsa dessa källor – kanske genom att be jordbrukarna att begränsa användningen av gödningsmedel – när vädret är moget för inversioner. Men den strategin kanske inte är meningsfull om ammoniakkällor i städerna, t.ex. bilar, visar sig spela en större roll för att driva på den kemi som ger upphov till smog. ”Med så många faktorer måste vi förstå hela bilden”, säger Murphy.
Regulatorer vill också vara säkra på att potentiellt kostsamma kontroller av jordbruk eller andra ammoniakkällor kommer att ge en fördel, vilket innebär att man måste knäcka den kemiska sammansättningen av smogen. I USA har t.ex. befintliga bestämmelser om luftföroreningar kraftigt minskat de atmosfäriska koncentrationerna av kväveoxider, vilket innebär att färre molekyler av dessa föreningar finns tillgängliga för att kombineras med ammoniak och bilda partiklar. En minskning av ammoniakutsläppen kanske inte gör någon större skillnad i områden där det redan råder brist på andra smogingredienser. I andra områden kan det däremot vara viktigt att stävja ammoniakplymen för att minska partiklarna. ”Vi är fortfarande inte på en plats”, säger Murphy, ”där vi till och med kan säga att svåra åtgärder kommer att få effekt.”
Situationen är mycket annorlunda i Europa, där miljötillsynsmyndigheter länge har satt fokus på ammoniak, delvis på grund av oro för dess inverkan på ekosystemen. (Ammoniak kan till exempel läcka ut i bäckar och floder, där det kan vara giftigt för vattenlevande organismer). Ekonomiska kommissionen för Europa, en FN-avdelning, fastställde gränsvärden för ammoniak 2012, och de europeiska länderna har använt en rad olika strategier för att minska de totala utsläppen från jordbruket med 24 % sedan 1990. Tyskland har till exempel satt gränser per hektar för användningen av vissa typer av gödselmedel, och Nederländerna har skapat ekonomiska incitament för effektivare gödselanvändning.
Tidigare i år presenterade Storbritannien en omfattande luftkvalitetsplan som innehåller planer på att minska landets ammoniakutsläpp från jordbruket med 16 % fram till 2030. Åtgärden kom i kölvattnet av att Storbritanniens miljöbyrå konstaterade att ammoniak var landets enda stora luftförorening som ökat sedan 2013, och att utsläppen från jordbruk skulle fortsätta att öka utan ”brådskande åtgärder”. Denna trend hotade regeringens försök att fram till 2025 halvera antalet människor som andas luft med PM2,5-nivåer som av Världshälsoorganisationen (WHO) anses vara osäkra. (WHO:s partikelstandard är 10 mikrogram PM2,5 per kubikmeter luft, i genomsnitt under ett år; USA:s årliga standard är 12 µg/m3.)
För att uppnå ammoniakminskningen planerar regeringen att kräva att jordbrukarna begränsar gödseltillförseln och täcker gödselstackar, och den kommer att införa strängare kontroller av mejeriverksamheter. Jordbruksindustrin, som rådfrågades om planen, har i stort sett varit mottaglig. Jordbrukare har redan frivilligt vidtagit liknande åtgärder, påpekade företrädare för industrin, och de välkomnade regeringens planer på att hjälpa till att finansiera införandet av ammoniakkontrollteknik.
Hanteringen av ammoniakkällor på gårdarna, som till exempel denna hög med kycklinggödsel i Maryland, kan vara avgörande för att begränsa utsläppen.
EDWIN REMSBERG/ALAMY STOCK PHOTO
Andra länder med stora ammoniakutsläpp är ännu inte redo att följa Storbritanniens exempel. Kina, som är känt för att vara en global hotspot för ammoniakutsläpp men som inte har någon tillförlitlig inventering av källor, reglerar inte föreningen. Det gör inte heller USA, även om EPA anser att ammoniak är en föregångare till PM2,5.
Ett stort problem som de amerikanska tillsynsmyndigheterna står inför är bristen på heltäckande uppgifter om ammoniakkällor. ”Det är svårt att reglera något om man inte mäter det”, säger Collett. Amerikanska jordbruksgrupper har hittills avvisat försök att kräva att jordbrukare ska rapportera ammoniakutsläpp, med argumentet att det skulle bli onödigt betungande. År 2013 inledde EPA en tvåårig undersökning av ammoniakövervakning i samarbete med griskötts-, mejeri- och fjäderfäindustrin, som omfattade 24 anläggningar i nio delstater. Men projektet stoppades efter att myndighetens vetenskapliga rådgivare kritiserat kvaliteten på de data som samlades in.
Om EPA skulle införa bestämmelser om ammoniak, skulle politiken sannolikt utgöra en stötesten. Jordbruksgrupper har hävdat att eftersom gasen har många källor och kan avvika långa sträckor måste alla kontroller utformas noggrant. En lösning skulle inte vara lika enkel som till exempel att installera en kemisk skrubber på ett kraftverk. De påpekar också att jordbrukarna redan har vidtagit frivilliga åtgärder för att begränsa utsläppen, t.ex. genom att minska mängden ammoniakprekursorer som används i djurfoder och ändra metoderna för gödselhantering.
De amerikanska tillsynsmyndigheterna kan ändå komma att utsättas för påtryckningar för att agera om studier från Salt Lake City och andra platser visar att ammoniak har blivit en viktig drivkraft för partikelföroreningar. Och åtminstone en forskare tror att svaren kan komma förr än senare – ”år, inte decennier”, förutspår Henze, som sitter i EPA:s rådgivande panel som behandlar frågan. ”EPA har inte varit villig att driva bollen framåt på grund av osäkerheten” kring ammoniak, säger han. ”Nu är vi på väg bortom osäkerheten.”