Ученые-экологи, эксперты в области качества воздуха, химии атмосферы и экологии, изучают судьбу соединений на основе азота, которые попадают в природные районы с электростанций, выхлопных газов автомобилей и – все чаще – из промышленного сельского хозяйства. Азот, который попадает в естественные экосистемы, может нарушить круговорот питательных веществ в почве, способствовать чрезмерному росту водорослей и снизить pH воды в водной среде и, в конечном итоге, уменьшить количество видов, которые могут выжить.
«Подавляющее большинство, 85 процентов, осаждений азота происходит в результате деятельности человека», – объясняет главный исследователь Дэниел Дж. Джейкоб, семейный профессор химии атмосферы и экологической инженерии Васко Маккой Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS). "В наших силах как нации уменьшить наше влияние."
Ожидается, что существующие правила качества воздуха и тенденции в технологиях чистой энергии со временем уменьшат количество вредных оксидов азота (NOx), выбрасываемых угольными электростанциями и автомобилями. Однако в настоящее время правительственные постановления не ограничивают количество аммиака (NH3), который попадает в атмосферу в результате сельскохозяйственных удобрений или навоза от животноводства, который в настоящее время отвечает за одну треть антропогенного азота, переносимого воздушными потоками и осаждаемого на суше.
«Аммиак довольно летучий», – говорит Джейкоб. «Когда мы вносим удобрения в Соединенных Штатах, только около 10 процентов азота попадает в пищу. Все остальное ускользает, и большая часть ускользает через атмосферу."
Команда ученых, в которую входят исследователи из Гарвардского SEAS, Службы национальных парков, Лесной службы Министерства сельского хозяйства США, США.S. Агентство по охране окружающей среды и Калифорнийский университет в Ирвине – представляют доказательства того, что неконтролируемое увеличение осаждения азота уже угрожает экологии охраняемых на федеральном уровне природных территорий.
Во многих предыдущих исследованиях ученые-экологи определили уровни азота, которые могут быть экологически вредными в различных условиях. В новом исследовании, проведенном под руководством Гарварда, используется атмосферная модель высокого разрешения под названием GEOS-Chem для расчета скоростей осаждения азота на всей территории Соединенных Штатов и сравнения этих скоростей с критическими нагрузками.
Результаты показывают, что многие парки уже могут пострадать.
В восточных лесах умеренного пояса, таких как Национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс, наиболее чувствительными элементами экосистемы являются деревья лиственных пород, которые начинают страдать, когда осаждение азота достигает примерно 3-8 килограммов на гектар в год. Согласно новому исследованию, фактическая скорость осаждения – 13.6 кг / га / год – намного превышает этот порог.
В лесах национального парка Маунт-Рейнир в первую очередь страдают лишайники; их критическая нагрузка составляет от 2.5 и 7.1 кг / га / год, а норма осаждения там тревожных 6.7 кг / га / год.
«Лишайники могут не быть замечены или особенно оценены кем-то, кто гуляет по национальному парку, но они являются неотъемлемой частью всего, что от них зависит», – объясняет ведущий автор Ралука А. Эллис, который проводил исследование в качестве постдокторанта в Гарвардском SEAS.
Сейчас она руководит Партнерством по климату и городским системам в Институте Франклина.
Джейкоб, Эллис и их коллеги прогнозируют, что выбросы NOx в Соединенных Штатах значительно уменьшатся к 2050 году (в глобальном масштабе это снижение может быть в некоторой степени компенсировано ростом индустриализации за рубежом). Но с аммиаком дело обстоит иначе.
Команда прогнозирует значительное увеличение количества и плотности сельскохозяйственных земель на Среднем Западе и Западе – чтобы прокормить растущее население и удовлетворить ожидаемый спрос на биотопливо, требующее все больше и больше удобрений.
«Даже если бы антропогенные выбросы NOx в глобальном масштабе были равны нулю, предотвращение превышения [критической нагрузки] во всех национальных парках потребовало бы сокращения антропогенных выбросов NH3 на 55%», – говорится в их отчете.
Каким образом будет достигнуто такое сокращение, остается предметом дальнейшего изучения.
«Нормы качества воздуха в Соединенных Штатах всегда были ориентированы на общественное здравоохранение, потому что загрязнение воздуха приводит к преждевременной смерти, и это то, что вы можете очень хорошо измерить.
Однако когда вы пытаетесь написать правила для защиты экосистем, ущерб гораздо труднее измерить », – говорит Джейкоб. «По крайней мере, в национальных парках можно сказать:« Здесь есть юридическое обязательство.’"
Проект финансировался Программой прикладных наук НАСА через группу прикладных наук о качестве воздуха, которую возглавляет Джейкоб из Гарварда и которая включает 23 исследователя из различных институтов.
Служба национальных парков уже некоторое время изучает осаждение азота, как правило, в рамках целенаправленных исследований, таких как исследования в Национальном парке Роки-Маунтин и Национальном парке Гранд-Тетон. Новое сотрудничество позволило многим различным исследовательским группам объединить свои усилия и извлечь выгоду из общих ресурсов, таких как модель GEOS-Chem, которая была впервые разработана в Гарварде и со временем стала международным стандартом для моделирования химии атмосферы.
Фактические уровни будущих отложений азота будут зависеть от сложного взаимодействия экономических, правовых и экологических факторов.
«Дело в том, что в предстоящие десятилетия проблема наших национальных парков не будет решена одним лишь сокращением выбросов NOx», – объясняет Эллис. "Потребуются целенаправленные усилия по контролю за аммиаком."
«Это национальный вопрос, и я думаю, что именно поэтому так важно было иметь национальную перспективу», – добавляет Джейкоб. «Мы показали, что большая часть осаждения азота в парках в США происходит из внутренних источников. Это не из Китая; это не из Канады – это то, с чем мы можем справиться, но нам нужно разобраться с этим на национальном уровне."