Lustgas (N ₂ O) är en potent växthusgas, med 300 gånger uppvärmningsförmågan hos koldioxid. På grund av avrinning av gödsel från jordbruksfält, en ökande kvävebelastning tvättas ut i floder och vattendrag, där kväve-andande mikrober bryter ner en del av gödningsmedlet till N ₂ O, som floden släpper ut i atmosfären när den tumlar mot havet. Men, tills nu, forskare har inte haft en klar bild av hur processen fungerar, vilken bråkdel av avrinningen hamnar som N ₂ O eller vilka åtgärder som kan vidtas för att mildra N ₂ O -utsläpp.

"Människor förändrar kvävecykeln i grunden, säger Matthew Winnick, ensam författare till ett nytt papper, publicerades nyligen i AGU Advances , och professor i geovetenskap vid University of Massachusetts Amherst. "Vi har förändrat hur kväve rör sig genom miljön." Mycket av denna förändring kan hänföras till enorma mängder kväverika kemiska gödningsmedel, sprids på jordbruksfält, som rinner ut i bäckar och floder när det regnar, och omvandlas till nitrat.

Forskare har länge vetat att mikrober i jorden och strömbotten bidrar till "denitrifikationsprocessen, "varigenom nitrat omvandlas till antingen ofarlig dinitrogen gas eller N ₂ O. Men den exakta mekaniken i omvandlingsprocesserna har förblivit ett mysterium, vilket framgår av det stora utbudet av N ₂ O -utsläppsuppskattningar - någonstans mellan .5% och 10% av de globala utsläppen - årligen hänförliga till strömmar.

Winnicks innovation var att återkomma till en stor experimentell datamängd som kvantifierade N ₂ O i 72 strömmar över USA med hjälp av en kombination av kemiska reaktionsmodeller, som kan spåra hur kväve omvandlas genom ett strömsystem, och strömma turbulensmodeller, som fångar hur de mekaniska krafterna i själva floden levererar nitrat till bäckens bädd, det är där denitrifikation sker.

Denna nya kombination, parning av den höga upplösningen av den kemiska reaktionsmodellen med turbulensmodellen, tillät Winnick att se hur nitrat rörde sig från bäcken till flodbädden och var nyckeln till hans upptäckt.

Det visar sig att det som effektivt avgör produktionen av N ₂ O är "denitrifikeringseffektivitet, "eller fraktionen av nitrat, levereras till strömbädden, som utsätts för de olika reaktionerna i denitrifikationsprocessen. Ju större strömbäddens effektivitet vid omvandling av nitrat, desto mindre N ₂ O släpps. Men där denitrifikeringseffektiviteten är låg, Winnick fann jämförelsevis högre nivåer av N ₂ O -utsläpp.

Vidare, bädden i strömmen till vilken nitrat tillförs spelar också en viktig roll. Strömbäddar med små anoxiska zoner, eller fläckar svältna av syre, hjälper också till att förhindra frisättning av N ₂ O.

Winnick föreslår att denna nya förståelse för kvävecykling kan hjälpa till att informera ansträngningar för att minska klimatförändringarna. "Att öka strömmarnas förmåga att bearbeta antropogent kväve kan också minska proportionellt N ₂ O -utsläpp, " han skriver.