Jordbruket har länge fått skulden för smog-orsakande ammoniak i atmosfären, men fordonsavgasrör är faktiskt en viktigare källa till ammoniakens bidrag till diset som svävar över storstäder, enligt ny forskning av ett team inklusive Princeton-ingenjörer.

"Ammoniak behöver inte komma hela vägen från mellanvästern till Philadelphia eller New York, sa Mark Zondlo, en docent i civil- och miljöteknik vid Princeton University. "Mycket av det genereras här."

Cirka 80 procent av luftburen ammoniak kommer från jordbruksmetoder som gödsling, så det verkar troligt att ammoniaken i dispartiklar kommer från plymer från stora gårdar i mellanvästern och sedan transporteras till östkusten. Men, i en artikel publicerad i tidskriften Miljövetenskap och teknik , Zondlos forskargrupp fann att ammoniakutsläppen från städer är mycket större än vad som är känt, inträffar vid de tillfällen då ohälsosamma partiklar är som värst, och när jordbrukets utsläpp är på dagliga eller säsongsmässiga lägsta nivåer.

"Det kommer faktiskt från fordonen" i själva städerna, sa Zondlo, som också är associerad direktör för externa partnerskap vid Princetons Andlinger Center for Energy and the Environment.

Forskarna noterade att fordonsutsläpp av ammoniak släpptes ut tillsammans med kväveoxider. Dessa kemikalier kombineras för att bilda ammoniumnitrat, vilket kan ses från den bruna färgen i stadsdis. Ytterligare, Ammoniakutsläpp från fordon är särskilt viktiga under kallt väder (t.ex. under vintern eller morgonrusningen) när jordbrukets utsläpp är som lägst och när disföroreningarna är som värst.

Daven Henze, en docent vid University of Colorado och forskare med NASA:s Health and Air Quality Applied Sciences Team, sade att fynden var ett viktigt steg för att bättre förstå luftföroreningar över städer. Med andra fordonsutsläpp - främst kväve- och svavelföreningar - i så nära anslutning till ammoniaken, förutsättningarna är mogna för produktion av fina partiklar.

"Det är verkligen användbart att få hans [Zondlos] arbete att göra framsteg med att klargöra källans storlek, sa Henze.

För att utföra sin forskning, Zondlo och hans team utrustade fordon med sofistikerade sensorer för att upptäcka ammoniaknivåer och fokuserade på sex städer—Philadelphia, Denver och Houston i USA, och Peking, Shijiazhuang och Baoding i Kina. Genom att mäta ammoniaknivåer under olika tider på dygnet vid olika infartspunkter till städerna, teamet kunde måla en bild av en "andande" stad, där nivåerna av föroreningar stiger och sjunker, beroende på trafik och förhållanden.

Forskningen fick hjälp av användningen av öppna kvantkaskadlaser-ammoniaksensorer utvecklade av Zondlos grupp inom Princetons Center for Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (MIRTHE). De laserbaserade sensorerna var mindre, lättare att arbeta med och mer exakt än tidigare använda sensorer, Zondlo sa. De möjliggjorde också effektivare mobiltester.

Tidigare, fordon måste vara speciellt utrustade för datainsamling. Hål borrades ofta i fordonens karosser för att fästa sensorer. Utrustningsbanker behövdes också i bilen. Eftersom de nya sensorerna är relativt små, de kan monteras på en bagagehylla ovanpå fordonet och sedan kopplas in i en bärbar dator. Detta är grunden för deras Princeton Atmospheric Chemistry Experiment mobila laboratorium, en konventionell SUV utrustad med kemiska och meteorologiska sensorer.

"Eftersom sensorerna har låg effekt (ungefär samma som en glödlampa) och kompakta, vi kan enkelt installera dem på alla fordon genom att bara lägga till ett skidställ, ", sade Zondlo. "Befintliga mobila laboratorier kräver anpassade fordon med kompletterande generatorer och betydande provtagningsmodifieringar. Våra sensorer kan placeras i incheckat bagage och monteras på några timmar på en fältplats."

Den bekvämligheten ledde till nästan omedelbar upptäckt när data samlades in.

"Du kan verkligen se plymer som kommer ut från fordonen i realtid, sa Da Pan, en gruppmedlem och fjärdeårs doktorand vid Princeton. "Så i princip kan du se om bilen framför dig var i dåligt skick. Du kan verkligen se plymer som kommer ut från den."

Förutom Zondlo och Pan, tidningens författare, som publicerades 29 nov. 2016, inklusive Denise Mauzerall, professor i civil- och miljöteknik samt offentliga och internationella frågor vid Woodrow Wilson School i Princeton; Kang Sun, Lei Tao, David Miller och Levi Golston från Princeton; Robert Griffin, H W. Wallace och Yu Jun Leong från Rice University; M. Melissa Yang från NASA Langley Research Center; Yan Zhang från Nanjing P&Y Environmental Technology Co.; och Tong Zhu från Peking University.

Stöd för projektet gavs delvis av Council for International Teaching and Research vid Princeton University med medel från Fung Global Forum, National Geographic Air and Water Conservation Fund, National Science Foundation, NASA och Houston Endowment.

Pan sa att forskningen öppnar två vägar för ytterligare studier:Hur närheten till ammoniak och kväve- och svavelföreningar i utsläppen påverkar produktionen av fina partiklar, och hur uppgifterna så småningom skulle kunna påverka reglerna för fordonsutsläpp. Zondlo undersöker också hur satellitobservationer av ammoniak kan hjälpa till att förstå dessa utsläpp som en del av NASA Health and Air Quality Applied Sciences Team.

De ansträngningar som gjorts för att minska kväve- och svavelutsläppen har varit en stor "framgångssaga, ", sa Zondlo. Ytterligare framsteg i att kontrollera partikelformigt material av dessa två arter kommer bara att bli inkrementella i den utvecklade världen.

"Vi har dragit i dessa spakar så mycket vi kan, ", sa Zondlo. "Men det finns en stor spak som vi inte har rört alls och det har varit ammoniak. Och om vi verkligen menar allvar med att angripa fina partiklar och förbättra luftkvaliteten, vi måste börja förstå och så småningom begränsa dessa ammoniakutsläpp."