Flerårig undersøgelse finder hotspots af ammoniak over verdens største landbrugsområder

Den første globale, langsigtet satellitundersøgelse af luftbåren ammoniakgas har afsløret "hotspots" af forurenende stoffer over fire af verdens mest produktive landbrugsregioner. Ved at bruge data fra NASAs Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) satellitinstrument, det University of Maryland-ledede forskerhold opdagede støt stigende ammoniakkoncentrationer fra 2002 til 2016 over landbrugscentre i USA, Europa, Kina og Indien. Øget atmosfærisk ammoniak er forbundet med dårlig luft- og vandkvalitet.

Studiet, offentliggjort 16. marts, 2017 i bladet Geofysiske forskningsbreve , beskriver også de sandsynlige årsager til øget luftbåren ammoniak i hver region. Selvom detaljerne varierer mellem områder, stigningen i ammoniak er i vid udstrækning knyttet til gødning, husdyraffald, ændringer i atmosfærisk kemi og opvarmning af jord, der tilbageholder mindre ammoniak. Resultaterne kunne hjælpe med at belyse strategier til at kontrollere forurening fra ammoniak og ammoniakbiprodukter nær landbrugsområder.

"Vores undersøgelse rapporterer den første globale, langsigtede tendenser for atmosfærisk ammoniak fra rummet, " sagde Juying Warner, som associeret forsker i atmosfærisk og oceanisk videnskab ved UMD. "Det er svært at måle ammoniak fra jorden, men den satellitbaserede metode, vi har udviklet, giver os mulighed for at spore ammoniak effektivt og præcist. Vi håber, at vores resultater vil være med til at vejlede en bedre styring af ammoniakemissioner."

Gasformig ammoniak er en naturlig del af jordens nitrogenkredsløb, men overskydende ammoniak er skadeligt for planter og reducerer luft- og vandkvaliteten. I troposfæren - den laveste, den tætteste del af atmosfæren, hvor alt vejr finder sted, og hvor mennesker bor - ammoniakgas reagerer med salpeter- og svovlsyrer og danner nitratholdige partikler, der bidrager til aerosolforurening, der er skadelig for menneskers sundhed. Ammoniakgas kan også falde tilbage til Jorden og trænge ind i søer, vandløb og oceaner, hvor det bidrager til skadelig algeopblomstring og "døde zoner" med faretruende lave iltniveauer.

"Lidt ammoniak kommer fra udstødningsrør eller skorstene. Det er primært landbrug, fra gødning og husdyrhold, " sagde Russell Dickerson, professor i atmosfærisk og oceanisk videnskab ved UMD. "Det har en dybtgående effekt på luft- og vandkvaliteten – og økosystemerne. Her i Maryland, ammoniak fra atmosfæren bidrager med så meget som en fjerdedel af nitrogenforureningen i Chesapeake Bay, forårsager eutrofiering og fører til døde zoner, der gør livet meget vanskeligt for østers, blå krabber og andet dyreliv."

Hver større landbrugsregion, der blev fremhævet i undersøgelsen, oplevede en lidt anderledes kombination af faktorer, der korrelerer med øget ammoniak i luften fra 2002 til 2016.

De Forenede Stater, for eksempel, har ikke oplevet en dramatisk stigning i gødningsbrug eller større ændringer i gødningsudbringningspraksis. Men Warner, Dickerson og deres kolleger fandt ud af, at en vellykket lovgivning for at reducere sur regn i begyndelsen af ​​1990'erne højst sandsynligt havde den utilsigtede virkning at øge gasformig ammoniak. De syrer, der forårsager sur regn, skrubber også ammoniakgas fra atmosfæren, og så det skarpe fald i disse syrer i atmosfæren er den mest plausible forklaring på stigningen i ammoniak over samme tidsramme.

Europa oplevede den mindst dramatiske stigning i atmosfærisk ammoniak af de fire store landbrugsområder, som undersøgelsen fremhævede. Forskerne antyder, at dette til dels skyldes vellykkede grænser for ammoniakholdige gødninger og forbedrede metoder til behandling af animalsk affald. Ligesom USA, en væsentlig potentiel årsag til øget ammoniak kan spores tilbage til reduktioner i atmosfæriske syrer, som normalt ville fjerne ammoniak fra atmosfæren.

"Faldet i sur regn er en god ting. Aerosolbelastningen er faldet - en væsentlig fordel for os alle, " sagde Dickerson. "Men det har også øget gasformig ammoniakbelastning, som vi kan se fra rummet."

I Kina, en kompleks vekselvirkning af faktorer er knyttet til øget atmosfærisk ammoniak. Undersøgelsens forfattere foreslår, at bestræbelser på at begrænse svovldioxid - en vigtig forløber for svovlsyre, en af ​​de syrer, der skrubber ammoniak fra atmosfæren - kunne være delvist ansvarlig. Men Kina har også i høj grad udvidet landbrugsaktiviteterne siden 2002, udvide brugen af ​​ammoniakholdig gødning og øge ammoniakemissionen fra animalsk affald. Opvarmning af landbrugsjord, i det mindste delvist på grund af globale klimaændringer, kunne også bidrage.

"Stigningen i ammoniak har øget aerosolbelastningen i Kina. Dette er en væsentlig bidragyder til den tykke dis, der ses i Beijing om vinteren, for eksempel, " sagde Warner. "Også, kød er ved at blive en mere populær del af den kinesiske kost. Når folk skifter fra en vegetarisk til en kødbaseret kost, ammoniakudledningen vil fortsætte med at stige."

I Indien, en bred stigning i gødningsforbruget kombineret med store bidrag fra husdyraffald har resulteret i verdens højeste koncentrationer af atmosfærisk ammoniak. Men forskerne bemærker, at ammoniakkoncentrationerne ikke er steget nær så hurtigt som i andre regioner. Undersøgelsens forfattere antyder, at dette højst sandsynligt skyldes øgede emissioner af forstadier til sur regn og, følgelig, en vis øget skrubning af ammoniak fra atmosfæren. Dette fører til øgede niveauer af dis, en farlig tendens bekræftet af andre NASA-satellitinstrumenter, sagde Dickerson.

I alle regioner, forskerne tilskrev noget af stigningen i atmosfærisk ammoniak til klimaændringer, afspejles i varmere luft- og jordtemperaturer. Ammoniak fordamper lettere fra varmere jord, så som jorden i hver region er blevet varmet år for år, deres bidrag til atmosfærisk ammoniak er også steget siden 2002.

Undersøgelsen tilskriver også nogle udsving i ammoniak til skovbrande, men disse begivenheder er sporadiske og uforudsigelige. Som sådan, forskerne udelukkede skovbrande i deres nuværende analyse.

"Denne analyse har givet det første bevis for nogle processer, vi har mistænkt for at foregå i atmosfæren i nogen tid, " sagde Warner. "Vi vil gerne inkorporere data fra andre kilder, såsom Joint Polar Satellite System, i fremtidige undersøgelser for at opbygge et klarere billede."

Warner, Dickerson og deres kolleger håber, at en bedre forståelse af atmosfærisk ammoniak vil hjælpe politiske beslutningstagere med at udarbejde fremgangsmåder, der bedre balancerer den store efterspørgsel efter landbrug med behovet for miljøbeskyttelse.

"I takt med at verdens befolkning vokser, det samme gør efterspørgslen efter mad - især kød, " sagde Dickerson. "Dette betyder, at landmænd og ranchere har brug for mere gødning, hvilket gør det sværere at opretholde ren luft og vand. Klog landbrugspraksis og reducerede drivhusgasemissioner kan hjælpe med at undgå negative effekter."