Den första globala, Långsiktiga satellitstudier av luftburen ammoniakgas har avslöjat "hotspots" av föroreningen i fyra av världens mest produktiva jordbruksregioner. Med hjälp av data från NASA:s Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) satellitinstrument, det University of Maryland-ledda forskarlaget upptäckte stadigt ökande ammoniakkoncentrationer från 2002 till 2016 över jordbrukscentra i USA, Europa, Kina och Indien. Ökad atmosfärisk ammoniak är kopplat till dålig luft- och vattenkvalitet.

Studien, publicerad 16 mars, 2017 i tidningen Geofysiska forskningsbrev , beskriver också de troliga orsakerna till ökad luftburen ammoniak i varje region. Även om detaljerna varierar mellan områden, ökningen av ammoniak är i stort sett kopplad till gödselmedel, djuravfall, förändringar i atmosfärens kemi och värmande jordar som håller kvar mindre ammoniak. Resultaten kan hjälpa till att belysa strategier för att kontrollera föroreningar från ammoniak och ammoniakbiprodukter nära jordbruksområden.

"Vår studie rapporterar den första globala, långsiktiga trender av atmosfärisk ammoniak från rymden, sa Juying Warner, som biträdande forskare i atmosfärisk och oceanisk vetenskap vid UMD. "Att mäta ammoniak från marken är svårt, men den satellitbaserade metoden vi har utvecklat gör att vi kan spåra ammoniak effektivt och exakt. Vi hoppas att våra resultat kommer att leda till bättre hantering av ammoniakutsläpp."

Gasformig ammoniak är en naturlig del av jordens kvävekretslopp, men överskott av ammoniak är skadligt för växter och minskar luft- och vattenkvaliteten. I troposfären - den lägsta, tätaste delen av atmosfären där allt väder äger rum och där människor bor – ammoniakgas reagerar med salpeter- och svavelsyror och bildar nitrathaltiga partiklar som bidrar till aerosolföroreningar som är skadliga för människors hälsa. Ammoniakgas kan också falla tillbaka till jorden och komma in i sjöar, bäckar och hav, där den bidrar till skadlig algblomning och "döda zoner" med farligt låga syrehalter.

"Lite ammoniak kommer från avgasrör eller skorstenar. Det är främst jordbruk, från gödningsmedel och djurhållning, sa Russell Dickerson, professor i atmosfärisk och oceanisk vetenskap vid UMD. "Det har en djupgående effekt på luft- och vattenkvaliteten – och ekosystemen. Här i Maryland, ammoniak från atmosfären bidrar med så mycket som en fjärdedel av kväveföroreningarna i Chesapeake Bay, orsakar övergödning och leder till döda zoner som gör livet mycket svårt för ostron, blå krabbor och annat vilda djur."

Varje större jordbruksregion som lyfts fram i studien upplevde en något annorlunda kombination av faktorer som korrelerar med ökad ammoniak i luften från 2002 till 2016.

Förenta staterna, till exempel, har inte upplevt en dramatisk ökning av användningen av gödningsmedel eller några större förändringar i spridningen av gödselmedel. Men Warner, Dickerson och deras kollegor fann att framgångsrik lagstiftning för att minska surt regn i början av 1990-talet med största sannolikhet hade den oavsiktliga effekten att öka gasformig ammoniak. Syrorna som orsakar surt regn skrubbar också ammoniakgas från atmosfären, och så den kraftiga minskningen av dessa syror i atmosfären är den mest rimliga förklaringen till ökningen av ammoniak under samma tidsperiod.

Europa upplevde den minst dramatiska ökningen av ammoniak i atmosfären av de fyra stora jordbruksområden som lyfts fram av studien. Forskarna föreslår att detta delvis beror på framgångsrika gränser för ammoniakrika gödselmedel och förbättrade metoder för att behandla animaliskt avfall. Ungefär som USA, en stor potentiell orsak till ökad ammoniak går tillbaka till minskningar av atmosfäriska syror som normalt skulle avlägsna ammoniak från atmosfären.

"Minskningen av surt regn är bra. Aerosolladdningen har sjunkit - en betydande fördel för oss alla, " Sa Dickerson. "Men det har också ökat gasformig ammoniakladdning, som vi kan se från rymden."

I Kina, en komplex interaktion av faktorer är knuten till ökad atmosfärisk ammoniak. Studieförfattarna föreslår att ansträngningar för att begränsa svaveldioxid - en nyckelprekursor för svavelsyra, en av syrorna som skrubbar ammoniak från atmosfären - kan vara delvis ansvarig. Men Kina har också kraftigt utökat jordbruksverksamheten sedan 2002, utvidga användningen av ammoniakhaltiga gödningsmedel och öka ammoniakutsläppen från animaliskt avfall. Uppvärmning av jordbruksmark, åtminstone delvis på grund av globala klimatförändringar, kan också bidra.

"Ökningen av ammoniak har ökat aerosolladdningen i Kina. Detta är en stor bidragande orsak till det tjocka diset i Peking under vintern, till exempel, " sade Warner. "Också, kött blir en mer populär del av den kinesiska kosten. När människor går från en vegetarisk till en köttbaserad kost, ammoniakutsläppen kommer att fortsätta att öka."

I Indien, en bred ökning av användningen av gödselmedel i kombination med stora bidrag från boskapsavfall har resulterat i världens högsta koncentrationer av atmosfärisk ammoniak. Men forskarna noterar att ammoniakkoncentrationerna inte har ökat lika snabbt som över andra regioner. Studieförfattarna antyder att detta med största sannolikhet beror på ökade utsläpp av sura regnprekursorer och, följaktligen, viss ökad skrubbning av ammoniak från atmosfären. Detta leder till ökade nivåer av dis, en farlig trend bekräftad av andra NASA-satellitinstrument, sa Dickerson.

I alla regioner, forskarna tillskrev en del av ökningen av atmosfärisk ammoniak till klimatförändringarna, reflekteras i varmare luft- och marktemperaturer. Ammoniak förångas lättare från varmare jord, så eftersom jorden i varje region har värmts upp år för år, deras bidrag till atmosfärisk ammoniak har också ökat sedan 2002.

Studien tillskriver också vissa fluktuationer i ammoniak till skogsbränder, men dessa händelser är sporadiska och oförutsägbara. Som sådan, forskarna uteslöt skogsbränder i sin nuvarande analys.

"Denna analys har gett de första bevisen för vissa processer som vi misstänkte ägde rum i atmosfären under en tid, " sade Warner. "Vi skulle vilja införliva data från andra källor, såsom Joint Polar Satellite System, i framtida studier för att bygga en tydligare bild."

Warner, Dickerson och deras kollegor hoppas att en bättre förståelse av atmosfärisk ammoniak kommer att hjälpa beslutsfattare att skapa tillvägagångssätt som bättre balanserar den höga efterfrågan på jordbruk med behovet av miljöskydd.

"När världens befolkning växer, så gör efterfrågan på mat – särskilt kött, ", sa Dickerson. "Detta betyder att bönder och ranchägare behöver mer gödningsmedel, vilket gör det svårare att hålla ren luft och vatten. Kloka jordbruksmetoder och minskade utsläpp av växthusgaser kan hjälpa till att undvika negativa effekter."