Självständigt arbete vid Institutionen för geovetenskaper
2016:
32
Transport och deposition
av kväve i östra Svealand
Självständigt arbete vid Institutionen för geovetenskaper
2016:
32
Transport och deposition
av kväve i östra Svealand
Copyright © Tora Tomasdottir
Abstract
Transport and Deposition of Nitrogen in Eastern Svealand
Tora Tomasdottir
Two types of nitrogen have been studied in this report, nitrate and ammonium. Nitrate mainly originates from incomplete combustion like fossil fule combustion from sea traffic, land traffic and energy use. Ammonium mainly origins from farming like fertilizers and animal waste. Nitrate and ammonium are water soluble and can be transported long distances in the atmosphere before depositing with precipitation. In order to record the nitrogen deposition, precipitation was collected and the amount of nitrogen was measured. This was done in 6 places in Eastern Svealand over a two month period, middle of March to middle of May 2014. The source regions of the precipitation was studied and it was found out that if the precipitation originated from areas north of Sweden the amount of deposited nitrogen was significantly lower then if the air masses originated from areas south, south east and south west of Sweden. The results from the measurements shows a decrease in nitrogen deposition with distance from the pollution source and that there is a higher amount of nitrogen in the precipitation in urban areas.
Key words: Nitrogen deposition, ammonium, nitrate, air pollution, regional
dispersion
Degree Project C in Meteorology, 1ME420, 15 credits, 2016 Supervisor: Monica Mårtensson
Department of Earth Sciences, Uppsala University, Villavägen 16, SE-752 36 Uppsala (www.geo.uu.se)
Sammanfattning
Transport och deposition av kväve i östra Svealand
Tora Tomasdottir
I denna rapport har två typer av kväve studerats, nitrat och ammonium. Nitrat har främst sitt ursprung från förbränningar, till exempel förbränning av fossila bränslen från sjöfart, fordonstrafik och energiförbrukning. Ammonium har framför allt källor från jordbruk, till exempel gödsling och djuravföring. Nitrat och ammonium är vattenlösliga och kan transporteras långa sträckor för att sedan deponera med nederbörden. Genom att samla in nederbörd och mäta halterna av nitrat och ammonium i proverna kunde depositionen av kväve beräknas. Detta gjordes över en tvåmånaders period, mitten av mars till mitten av maj 2014, på 6 platser i östra Svealand. Luftmassornas ursprung undersöktes och det visade sig att när luftmassorna och nederbörden hade sitt ursprung norr om Sverige innehöll den betydligt lägre halter kväve än när de kom från söder, sydöst och sydväst. Resultaten från mätningarna visade att det är en tydlig minskning av kvävehalten i nederbörden med avståndet från källan och att det är en förhöjd kvävehalt i nederbörden i städerna.
Nyckelord: Kvävedeposition, ammonium, nitrat, luftförorening, regional spridning
Examensarbete C i meteorologi, 1ME420, 15 hp, 2016 Handledare: Monica Mårtensson
Institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet, Villavägen 16, 752 36 Uppsala (www.geo.uu.se)
Innehållsförteckning
1. Inledning 1
1.1 Kväve 1
1.2 Syfte 2
2. Bakgrund 4
2.1 Kvävets miljö och hälsopåverkan 4
2.2 Kväveutsläpp och transport 4
2.3 Kvävedeposition och mätning 6
2.4 Historik och åtgärder 7
3. Metod 8
3.1 Provtagare och mätplatser 8
3.2 Jonkromatografi 9 3.3 Datahantering 9 3.4 Mätosäkerhet 10 3.5 Trajektorier 10 4. Resultat 11 5. Diskussion 16
5.1 Hur resultaten stämde överens med frågeställningarna 16
5.2 Ursprung 16 5.3 Rekommendationer 17 6. Slutsats 17 7. Tack 17 8. Referenser 18 Internetkällor 18 Bilagor 19
Bilaga 1. Uppmätta värden i Gnesta 19
Bilaga 2. Uppmätta värden i Saltsjöbaden 20
Bilaga 3. Uppmätta värden i Märsta 21
Bilaga 4. Uppmätta värden i Uppsala 22
Bilaga 5. Uppmätta värden i Falun 23
1. Inledning
Atmosfären består av 78.08% kväve, 20.95% syre, 0.93% argon och 0.03% koldioxid (gäller för torr luft). De resterande ~0.001% är olika typer av gaser (Wallace &
Hobbs, 2006). En luftförorening kan vara i gas- eller partikelform. Innehållet varierar beroende på källa och olika föroreningar ger olika konsekvenser för människa och miljö.
Det finns flera källor till luftföroreningar både naturliga och antropogena
(människopåverkan). Naturliga faktorer som kan påverka luftkvalitén är till exempel vulkanutbrott, skogsbränder och sandstormar. Exempel på antropogena källor till luftföroreningar är jordbruk och förbränning av fossila bränslen så som transport, industri, och kraftverk (Wallace & Hobbs, 2006).
Luftföroreningar kan transporteras långa sträckor och kan således både deponera nära eller långt ifrån källan. Hur långt luftföroreningen transporteras beror på
väderförhållanden och föroreningens typ. Hur länge föroreningen uppehåller sig i atmosfären innan det deponerar eller transformeras till ett annat ämne påverkar också transporten. Luftföroreningen kan deponera i nederbörd, våtdeposition, den kan även deponera genom att fastna på något material eller falla ned till marken vilket kallas torrdeposition. Föroreningarna kan transporteras över hav och
kontinenter, detta kan ge problem politiskt och miljömässigt när konsekvenserna av en förorening uppstår i ett land som inte har något med källan till utsläppet att göra. Myndigheter nationellt och internationellt har tagit beslut om gränsvärden för
luftföroreningar för att människor och miljö inte ska skadas.
De vanligaste ämnena i luftföroreningar är marknära ozon, kväveoxider,
svaveloxider och partiklar i luften (Naturvårdsverket, 2015a). Marknära ozon bildas när kväveoxider och kolväten reagerar tillsammans med solljus (Naturvårdsverket, 2015b) och är skadligt för människor och växter. Ozon är säsongsberoende eftersom att det är mer solljus under sommaren.
Primära partiklar bildas bland annat under ofullständig förbränning och slitage på vägar av dubbdäck. Sekundära partiklar är partiklar som i luften går från gas till fast form. Partiklarna består av en mängd olika ämnen beroende på vart och hur de bildas de kan även vara både vattenlösliga eller vattenfasta. Är de vattenlösliga löses de upp i nederbörd och deponerar med denna. Kväve är ett vanligt
förekommande ämne i partiklar vilket kommer tas upp separat. Om partiklarna är tillräckligt små kan de efter inandning skada lungor. Beroende på vilka ämnen partiklar innehåller har de olika hälsoeffekter, som till exempel hjärt-, kärl- och
lungsjukdomar på lång eller kort sikt (Naturvårdsverket, 2015c). I Sverige överskrids gränsen för partiklar i luften oftare än någon annan luftförorening (Naturvårdsverket, 2015c).
Svaveldioxid, SO2, uppkommer från förbränning av fossila ämnen som innehåller
svavel (Naturvårdsverket, 2015d). Svavlet försurar marker och sjöar vilket har varit ett stort problem i Sverige, men har minskat kraftigt de senaste 25 åren på grund av skärpta miljökrav som till exempel inneburit att fossila bränslen med hög svavelhalt förbjudits.
1.1 Kväve
Kväve förekommer i många olika föreningar i atmosfären, kvävgas (N2) , dikväveoxid
(N2O), NOy, ammoniak (NH3) och ammonium (NH4+). NOy betecknar olika varianter
(Wallace & Hobbs, 2006). NOx betecknar kombinationen av NO och NO2. 99.99% av
allt kväve i atmosfären finns i form av kvävgas och 99% av de resterande 0.001% är dikväveoxid (Wallace & Hobbs, 2006). Den försvinnande lilla delen av andra
kväveföreningar är dock viktiga ämnen i atmosfären.
Kväve i form av kväveoxider och ammoniak är vanliga typer av kväveutsläpp vilka transporteras långa sträckor och deponerar, efter transformation i atmosfären, som
nitrat (NO3-) och ammonium. En vanlig transformation är när salpetersyra reagerar
med ammoniak och bildar partiklar som transporteras långa sträckor i atmosfären (Karlsson et.al., 2012). Källor till dessa utsläpp tas utförligt upp i bakgrunden, 2.2. I denna rapport undersöks kvävedeposition i form av nitrat och ammonium då de är vattenlösliga och i stor utsträckning våtdeponerar och därför är förhållandevis lätta att insamla.
1.2 Syfte
Kvävedeposition förekommer i hela Sverige men mängden varierar kraftig från söder till norr. Svenska Miljöinstitutet, IVL, mäter kontinuerligt halten av nitrat och
ammonium i nederbörden på flera platser runt om i Sverige för att se trender i den
oorganiska kvävedepositionen (kvävedeposition med ursprung i antropogena källor).
Figur 1 redovisar hur kvävedepositionen IVL har uppmätt varierar från södra till norra Sverige och är tagen från svenska miljöinstitutets rapport om kvävedeposition
(Karlsson et al., 2012). Figuren visar ett medelvärde över åren 2003-2007. Störst kvävedeposition sker på västkusten och minsta i norra delarna av Sverige.
Figur 1. Totala kvävedepositionen i Sverige i kilogram per hektar och år (se färgskala). Källa: Karlsson et al., 2012.
Man kan anta att luftmassor som har sitt ursprung norr om Sverige bidrar med försvinnande liten del kvävedeposition i landet eftersom det inte finns några betydande källor till utsläpp där. Detta syns i IVLs resultat, figur 1, där
kvävedepositionen är betydligt högre i södra Sverige än i norra. Depositionen i södra Sverige är högre då det finns många utsläppskällor i kontinentala Europa och
Storbritannien, detaljer om vart de stora utsläppen kommer ifrån och vad källorna till utsläppen är tas upp i bakgrunden. Projektet som redovisas i den här rapporten gick ut på att undersöka området som presenteras i figur 2 och se om det är mer kväve i nederbörden på platser närmre utsläppskällorna än på platser längre ifrån. Det undersöktes även om det är högre halter deponerat kväve i större städer där
utsläppen är högre och om resultaten stämde överens med IVLs resultat, se figur 1. Frågeställningen var om det skulle vara högre halter kväve i nederbörden i de södra delarna av området jämfört med de norra och om det skulle vara något förhöjt i de större städerna då de är mycket trafik och utsläpp där.
Figur 2. Området som har studerats. Röda prickar markerar de mätstationer som har använts.
2. Bakgrund
2.1 Kvävets miljö och hälsopåverkan
Det är sannolikt att lungorna påverkas negativt av inhalation av kväveoxider, NOx,
dock svårt att veta hur skadliga luftburna kväveföroreningar är för människor och djur då föroreningar sällan kommer ensamma (Nafstad et al., 2004). Det blir då svårt att urskilja vilken förorening, eller i vilken omfattning de olika ämnena i föroreningen ger besvär.
Marker och växtlighet påverkas av kvävedeposition eftersom kväve är ett gödningsmedel vilket betyder att kvävedeposition tillför näring till jorden den deponerar på. Gödning av marken kan missgynna arter då kvävegynnade arter växer till sig och stöter ut missgynnade arter (Falkengren-Grerup et al., 2000). Kvävedeposition försurar även marker och sjöar vilket inte är önskvärt.
2.2 Kväveutsläpp och transport
Kväveemission sker på flera olika sätt, både naturligt och antropogent. Naturliga emission sker genom genom bakteriella reaktioner i vatten, jord eller växter, skogsbränder och avföring från vilda djur. Antropogena källor är förbränning av fossila bränslen, biomassaförbränning, utsläpp från gödsling, boskapsavföring, och avlopps utsläpp (Wallace & Hobbs, 2006). Den här rapporten har fokus på hur ammonium och nitrat hamnar i östra Svealand, därför tas dess källor upp mer detaljerat.
De största antropogena källorna till kväveoxider är förbränning av fossila bränslen och biomassa. Kväveoxid bildas under ofullständig förbränning oberoende av vilket ämne det är som bränns, det är höga temperaturer som får kvävet i luften att oxidera och bilda kväveoxider. Vid ofullständig förbränning bildas mestadels kvävemonoxid
som snabbt reagerar med ozon och bildar kvävedioxidsom i sin tur uppehåller sig i
atmosfären i storleksordning 1 dag (Wallace & Hobbs, 2006). Därefter reagerar
kvävedioxid med en hydroradikal (OH-) och bildar nitrat(Karlsson et al., 2012).
Nitratet kan uppehålla sig i atmosfären upp till en vecka och färdas långa sträckor innan deposition. Tiden för nitrat i atmosfären beror på hur snabbt fukten i molnen faller ut som nederbörd då nitratet i huvudsak våtdeponerar.
Stora delar av kvävedepositionen i Sverige har sina källor utanför gränserna men 55% av källorna till kväveoxider i Sverige 2013 har sitt ursprung i Sverige där
transporter (22%), industri (11%) och energiförbrukning (6%) är de största källorna, se figur 3. I Sverige hade 42% av kvävedioxidutsläppen ursprung i internationell sjöfart 2013, se figur 4.
Största antropogena källorna till ammoniakutsläpp i världen är gödsling och boskap. Det stämmer överens med hur det ser ut i Sverige där 83% av källorna till ammoniakutsläpp kommer från jordbruk 2013, se figur 5. Ammoniak kan
!
!
Figur 4. Utsläpp av kväveoxider till luft från internationell sjöfart, internationellt flyg och nationellt flyg.
Källa: http://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Statistik-A-O/Kvaveoxider-till-luft-internationellt/
Största delen deponerat kväve i Sverige kommer från kväveoxider (ofullständig förbränning) men en betydande del kommer från ammoniak (jordbruk). Utsläpp av ammoniak och kväveoxider som senare deponerar i from av ammonium och nitrat i Sverige kommer både från nationella och internationella källor. Av
ammoniumdepositionen i Sverige är omkring 67% från utländska källor (Karlsson et al., 2012). Av nitratdepositionen är mer än 90% från utländska källor på grund av kvävemonoxidets långa uppehållstid i atmosfären innan det omvandlas till nitrat (Karlsson et al., 2012). Stockholm har dock så höga lokala utsläpp av kväveoxider att kvävedepositionen i Stockholm har 20% av sitt ursprung från Stockholm. Största källor till nitratdepositionen i Sverige i storleksordning är Tyskland, fartygstrafik på Nordsjön och Östersjön, Polen, Storbritannien och Sverige. Största källor till ammoniumdepositionen i storleksordning är Sverige, Tyskland, Polen, Danmark, Frankrike och de baltiska länderna (Karlsson et al., 2012).
2.3 Kvävedeposition och mätning
Nitrat och ammonium är båda vattenlösliga och deposition mäts genom uppsamling av nederbörd. Provtagarna, bulkprovtagare, som används för att samla in nederbörd består av en tratt och en dunk, se figur 6. Torrdeposition av kväveföreningar sker i en mindre omfattning på tratten vilka sköljs ner i dunken med nederbörden. Mängden nederbörd behöver även mätas för att kunna räkna ut hur mycket kväve som
deponerat eftersom man mäter koncentrationen av kväve i nederbördsproverna. Det finns flera processer som påverkar kvävehalten i den uppsamlade nederbörden. Mindre droppar har högre halt kväve än större droppar (Karlsson et al., 2012).
!
Figur 5. Utsläpp av ammoniak till luft i Sverige.
Topografin i området påverkar depositionen då nederbörden tenderar att falla i större koncentration på vissa platser (Karlsson et al., 2012). Provtagare för nederbörd bör placeras på lämpligt ställe för att få med så stor del av nederbörden som möjligt. För att få bäst spridning på droppstorleken bör provtagaren inte stå närmre ett föremål än att det från toppen av föremålet till toppen av provtagarens kant inte är mer än 45° (SMHI, 2015). Står den närmre riskerar många droppar att blåsa förbi.
Provtagaren skall inte heller stå allt för fritt för där kan starkare vindar uppkomma och dropparna blåser lätt över.
2.4 Historik och åtgärder
Utsläppen av ammoniak i Sverige under 1900-talet låg på en jämn nivå med ökning från år 1900 till ca 1930 och svag minskning sedan dess. Kväveoxider höll jämn och låg nivå till 1950-talet då de ökade markant fram till mitten av 1970-talet och har sedan dess hållit en någorlunda jämn nivå. Utsläppen av kväveoxider mellan 1980 och 2000 i förorenade områden i Europa minskade med 30-40% men
våtdepositionen av nitrat i Sverige ökade trots detta med 50%. För ammoniakutsläpp under samma period minskade utsläppen med 20-30% samtidigt som
våtdepositionen av ammonium ökade svagt i Sverige (Karlsson et al., 2012). För att minska kväveutsläppen har vissa åtgärder vidtagits, till exempel har bilar utrustats med katalysatorer. I Stockholm har man förbjudit tung trafik i vissa områden för att minska kväveoxidhalten lokalt (Naturvårdsverket, 2015e).
3. Metod
3.1 Provtagare och mätplatser
Provtagaren bestod av en tvåliters dunk med en tratt, se figur 6. Inuti tratten sattes en mindre tratt efter ett par veckor för att förebygga avdunstning och att större flugor flög in i dunken och förorenade vattnet. Provtagaren fästes på en stolpe i trä med hjälp av metallhållare, se figur 6. Stolparna sattes ner i marken, surrades fast på ett staket eller bord beroende av förutsättningarna på mätplatsen. Två provtagare, provtagare a och b, sattes på varje mätplats, detta för att kunna jämföra resultaten från dem båda och kunna dra slutsatser om eventuell kontaminering.
Provtagaren tömdes på nederbörd till en mindre ren flaska, den mindre flaskan märktes med mätplatsens kod, tid och datum för att skilja nederbördsproven åt inför filtreringen. Flaskorna lades i frysen tills de skulle filtreras för att förhindra kemiska processer i proverna. Provtagarna tömdes i mån av tid men det ultimata hade varit om de kunde tömmas efter varje episod med nederbörd. Efter varje tömning sköljdes dunk och tratt med avjoniserat vatten tre gånger innan den ställdes upp igen på samma sätt som tidigare.
Mätstationernas placering berodde på var det fanns en plats där provtagaren kunde ställas upp utan att riskera att påverkas av vandalisering, kontaminering och bortfall av nederbörd. Antalet mätplatser berodde på hur mycket material som kunde lånas av Meteorologiska institutionen vid Stockholms Universitet. 6 platser med så stor spridning som möjligt i nord-sydlig riktning, se figur 2, sattes ut i ett område som sträckte sig från Gnesta till Falun enligt figur 2, sydligaste mätplatsen var i Gnesta, följande i Saltsjöbaden, Kungsholmen, Märsta, Uppsala och slutligen nordligaste i Falun. Det skulle även vara möjligt att åka runt och tömma alla vid behov.
Nederbördsmätare sattes i närheten av varje provtagarstation, se figur 7, men eftersom en större mängd nederbörd misstänktes ha avdunstat från mätarna så användes inte den datan utan data från SMHI (Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut) från närliggande stationer. Eftersom det inte fanns någon station i Saltsjöbaden användes den närmaste som låg i Gustavsberg.
Mätstationerna var uppställda och nederbörd insamlades under en tvåmånadresperiod, mitten av mars till mitten av maj 2014.
3.2 Jonkromatografi
Jonkromotografi användes för att analysera proverna. Nederbördsproverna
filtrerades genom ett filter ner i provrör. Varje prov filtrerades ner i tre olika provrör för olika analys, detta gjordes med plasthandskar i ett dragskåp av märket Clean Air och modellen Clean bench, class 100. Ett provrör med 5ml filtrerad nederbörd skickades till Tallin för analys av delta18O stabila vatten isotope. I Uppsala, på Geocentrum, analyserades jonkoncentrationen i ett provrör om 10ml filtrerad
nederbörd. Resten av nederbörden filtrerades ner i ett tredje provrör (eller flaska om det var mycket kvar) som skickades till Storbritannien för analys av stabila kväve isotoper delta15N NO3.
De provrör som analyserades i Uppsala sattes det lock på av aluminiumfolie innan de placerades i den apparat som skötte analysen. Jonkromatografen var av märket Metrohm och typen 850 Professional IC, Anion MSM-HC-MCS-2.850.2070. För att instrumentet, skulle klara att analysera proverna fick de inte vara för koncentrerade
och därför ställdes jonkromatografen in på att bara ta upp 100 av provet och
blanda med milliQ-vatten som lagts in i jonkromatografen tidigare. Varför just denna mängd av provet skulle tas upp räknades ut genom att jonkromatografen klarar koncentrationer mellan 1 ppb och 3000 ppb men regnvatten i denna regionen oftast innehåller 1 ppm till 100 ppm.
Proverna sattes på en bricka i jonkromatografen, jonkromatografen förde ner en sticka igenom aluminiumlocket för att suga upp nederbörden. Det tog ca tjugo minuter för jonkromatografen att analysera varje prov. Var tionde prov var ett kalibreringsprov, med kända värden, som sattes in för att se om jonkromatografen blev kontaminerad.
3.3 Datahantering
För att ta fram hur mycket kväve som deponerat på varje plats skrevs
matlabprogram där ekvation 1 och 2 användes. Matlabprogrammet använde
mängden nederbörd i kilogram per kvadratmeter för varje tömning, koncentrationen ammonium och koncentrationen nitrat i varje prov, antalet dagar mellan varje
Kprov = R*(A*0,77 + N*0,23)*10-9 (1)
Ktot = (sum(Kprov))*10000*365/t (2)
Kprov = mängden kväve [kg/m2] för varje prov (varje tömmning)
R = mängden regn [kg/m2] under perioden mellan tömningar av provtagare
A = ammoniumhalten [ppb] (medelvärdet av båda provtagarna på en station) 0,77 - halten kväve i ammonium
N = nitrathalten [ppb] (medelvärdet av båda provtagarna på en station) 0,23 - halten kväve i nitrat
10-9 - konverterar ppb, delar per miljard
Ktot = totala mängden kväve [kg/hektar] för mätstationen under mätperioden
10 000 - konverterar m2 till hektar
365 - antal dagar på ett år
t = tiden [dagar] provtagarna varit uppe (olika för varje mätstation)
3.4 Mätosäkerhet
Det finns ett antal mätosäkerheter i de här mätningarna. Kontaminering kan ha skett men de flesta prover visade samma kvävehalt i de två provtagarna vid varje
mätstation därför kan det antagas att eventuell kontaminering inte har haft någon större betydelse. Eftersom vissa prover kastades innan analysering på grund av fågelavföring i provtagaren går det inte att veta om det hade gett något stort utslag med fågelavföring i provet. Placeringen av provtagarna blir sällan ultimat och det kan ha försvunnit nederbörd eller vissa typer av droppstrolekar på grund av vindar. Detta är ett problem som IVL sannolikt också har då de använder liknande typer av
provtagare. Eftersom mängden regn inte mättes vid exakt där provtagaren stod så är det en mätosäkerhet då nederbördsmängden kan skilja sig mycket även på små avstånd. Denna osäkerhet var störst i Saltsjöbaden då inte SMHI hade någon mätstation i närheten. IVL använder bara medelvärde av data från provtagare som har var varit uppe i många år för att resultatet inte skall vara missvisande, de här provtagarna stod uppe i två månader vilket gör att någon säsongsvariation i kvävedeposition inte finns med i resultaten.
3.5 Trajektorier
Att undersöka om förhöjda värden berodde på om nederbörden hade sitt ursprung i områden med stora utsläpp var av intresse. För att ta reda på vilken riktning
nederbörden kom ifrån användes trajektorier hämtade från ARL (Air Resources Laboratory). Se trajektorier i figur 10 och 11. Trajektoria är banan ett luftpaket färdas. De trajektorier som använts i denna rapport har en slutpunkt, Stockholm i detta fall, och spåras bakåt i tiden för en tidsperiod av 24 timmar, detta kallas bakåttrajektoria. Första punkten på trajektorian är platsen luftpaketet befann sig 24 timmar innan det kom till Stockholm. Man kan även använda en trajektoria där man spårar luftpaketet framåt i tiden, en så kallad framåttrajektor, men det var ej av intresse i denna
4. Resultat
Resultaten presenteras som kilo kväve per hektar och år för att kunna jämföra med IVLs resultat. Resultaten presenteras både som tabell, tabell 1, och graf, figur 8.
Mätplats: Gnesta
Saltsjö-baden Kungs-holmen Märsta Uppsala Falun Antal mätdagar 49 56 59 59 60 53 Total nederbörd under mät-perioden [mm] 58,1 85,8 83,7 67,3 105 90 Deponerat kväve [kg/ kvadrat-meter] under mät-perioden 0,36*10-3 0,28*10-3 0,76*10-3 0,38*10-3 0,53*10-3 0,11*10-3 Deponerat kväve [kg/ hektar/år] 27,1 18,2 46,7 23,3 32,3 7,5
Figur 8. Sammanlagda kvävedepositionen, anpassat för ett år.
! A B C D E F Mätplatser 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 kväve [kg/hektar/år] A = Gnesta B = Saltsjöbaden C = Kungsholmen D = Märsta E = Uppsala F = Falun
Resultaten från mätningarna visar på höga värden på Kungsholmen med 46,7 kg kväve per hektar och år och i Uppsala med 32,3 kilo per hektar och år. Falun har lägst kvävedeposition med 7,5 kilo per hektar och år. Det går att se en minskande trend i syd-nordlig riktning i figur 8 om man bortser från Stockholm och Uppsala där det är stadsbebyggelse ger högre utsläpp.
I bilagan finns mer detaljerade figurer över resultaten för varje tömning av
provtagarna vid varje mätplats (figurerna 12-16). Det finns även jämförelser mellan nitrat- och ammoniumhalterna för varje mätplats (figurer 17 och 18).
För att vid några tillfällen undersöka huruvida kvävehalten i nederbörden berodde på varifrån nederbörden hade sitt ursprung användes trajektorier (ARL, 2015). Mätstationen på Kungsholmen valdes ut eftersom att den tömdes ofta och inte var nämnvärt kontaminerad till skillnad från Uppsala där proverna vid upprepade tillfällen blev kontaminerade av fågelavföring. Figurerna 9 a och b visar halterna för nitrat och ammonium för varje tömning på Kungsholmen, cirklarna och stjärnorna visar
halterna för varje provtagare på mätplatsen. Resultaten finns även i en tabell i bilagan där mer detaljerad information finns. Eftersom de båda provtagarna på Kungsholmen visar nästan samma resultat så går det att anta att mätningarna inte har störts av kontaminering så som flugor och smuts som blåst ner i provtagarna. Figur 9 c visar den sammanlagda halten kväve för varje tömning i enheten kilo per hektar och tömning eftersom det är önskvärt att ha kilo per hektar för att jämföra med IVLs resultat. Figur 9 d visar mängden nederbörd per dag för alla dagar under
mätperioden där mätdata är hämtat från SMHI.
En hög kvävehalt urskiljas i nederbörden för dagarna 6/4, 7/4, 8/4 och 9/4, 2141 ppb nitrat och 707 ppb ammonium. I figur 10 finns trajektorierna för dessa dagar, luftmassan i figur 10 a har ursprung i södra Norge, luftmassan i figur 10 b har
ursprung i Danmark och luftmassan i figur 10 c och d har ursprung i västra Ryssland och Baltikum. Å andra sidan har nederbörden för dagarna 15/3, 16/3 och 17/3 en låg halt kväve, 282 ppb nitrat och 100 ppb ammonium. Trajektorierna i figur 11 visar att luftmassorna som innehöll en låg kvävehalt hade sitt ursprung nordväst om Norge. Detta tyder på att luftmassorna som kommer från dessa områden är mindre
Kungsholmen
! ! 16/03 23/03 30/03 06/04 13/04 20/04 27/04 04/05 11/05 0 2000 4000 6000 8000 Nitrat [ppb] 16/03 23/03 30/03 06/04 13/04 20/04 27/04 04/05 11/05 0 1000 2000 3000 4000 Ammonium [ppb] 16/03 23/03 30/03 06/04 13/04 20/04 27/04 04/05 11/05 0 0.5 1 1.5 2x 10 −6 Kväve [kg] 16/03 23/03 30/03 06/04 13/04 20/04 27/04 04/05 11/05 0 5 10 15 20 Nederbörd [mm]Figur 9 a. Tidsserie av nitratkoncentrationen, stjärnan och cirkeln visar provtagare a respektive provtagare b.
Figur 9 b. Tidsserie av ammoniumkoncentrationen, (för symbolerna se ovan).
Figur 11. Trajektorier, luftmassornas ursprung 15/3 till 17/3. Hämtade från ARL.
! !
!
a) b)
5. Diskussion
5.1 Hur resultaten stämde överens med frågeställningarna
Resultaten för det totala kvävenedfallet i kilo per hektar och år har förhöjda värden i Stockholm, Uppsala och Märsta. Enligt bilaga 6 är 60% av kvävet från nitrat i
Uppsala och 53% i Stockholm. Den förhöjda kvävedepositionen i Stockholm och Uppsala kan bero på en tätare trafik och snabb deposition av nitrat men eftersom det är en så hög andel ammonium i kvävedepositionen i Stockholm så kan det inte vara bara pågrund av trafiken i staden som den totala depositionen är så hög. I Falun är halten ammonium i depositionen 75%, detta betyder att nitratdepositionen är låg. Eftersom Falun är långt från stora antropogena källor till kväveutsläpp så är detta förväntat, det borde vara betydligt högre halt ammonium än nitrat i det deponerade kvävet.
Resultaten för den totala kvävedepositionen i detta projekt är betydligt högre än IVLs resultat men det betyder inte att resultaten är felaktiga. Jämför figur 1 och figur 8 där man ser att depositionen i detta projekt varierar mellan 7,5 och 46,7 kilo per hektar och år när IVLs resultat visar att depositionen varierar mellan 2 och 6 kilo kväve per hektar och år. IVL har bara undersökt oorganisk kvävedeposition men denna undersökning har undersökt organiskt och oorganiskt kväve i samma deposition. Den organiska delen är antagligen mycket mindre än den oorganiska delen och det finns flera anledningar till att resultaten skiljer sig åt. De stora
skillnaderna kan bero på att kvävedepositionen varierar över året, till exempel är det större utsläpp när det är säsong att gödsla vilket det var under den aktuella
mätperioden. Halterna i tätare bebyggda orter som Kungsholmen, Uppsala och Märsta är högre än IVLs papport men IVL har inte lika tätt mellan mätplatserna och de mäter inte inne i städer. Det skulle kunna vara så att deras resultat också hade haft högre värden på samma orter om de hade mätt på samma platser. Depositionen på Kungsholmen och i Uppsala skulle kunna bero på att det släpps ut högre halter av kväveoxider, som omvandlas till nitrat och våtdeponerar, i områden med mycket trafik. Depositionen i Märsta kan inte förklaras med fordonstrafik eller att flygplatsen Arlanda skulle påverka eftersom halten ammonium är så hög, över 60%. (Se bilaga 6 för procenthalter).
Ett problem är att det inte regnar lika mycket överallt, under mätningarna regnade det mest i Uppsala, med 105 mm under mätperioden jämfört med Gnesta som hade 58,1 mm (se tabell 1). Detta skulle kunna vara en anledning att det var så stor kvävedeposition i Uppsala, mer nederbörd kan leda till en större deposition även om koncentrationen i nederbörden inte är högre.
5.2 Ursprung
Halten kväve i nederbörden minskar med avstånd från kontinentala Europa och Storbritannien, detta stämmer överens med IVLs rapport. Det förväntades att luftmassor med ursprung norr om Sverige skulle ha en betydande lägre halt kväve än luftmassor med ursprung i länder söder om Sverige där det finns många källor till luftföroreningar. Resultaten stämmer bra överens med vad som förväntades.
Eftersom stora mängder kväveföroreningar kommer till Sverige från källor utanför landets gränser är det viktigt med ett internationellt samarbete för att minska
för att hålla en balans mellan ett fungerande samhälle med transporter och industrier men med kontrollerade utsläpp. Böter för höga utsläpp kan ges men det skulle drabba svaga ekonomier i högre grad än starka. Elbilar kan subventioneras men då bör elektriciteten komma från energikällor som inte släpper ut stora mängder
föroreningar. Tvingas jordbruk till att sluta gödsla kan det leda till att de tar till andra metoder för att gynna sina grödor och de skulle möjligtvis vara ännu miljöfarligare men på andra sätt. Frågan är komplicerad och olika lösningar är möjliga för att minska luftföroreningarna, viktigt är att de på lång sikt minskar istället för att öka.
5.3 Rekommendationer
För att undersöka närmare var kvävet har sitt ursprung skulle det vara bra att tömma provtagarna efter varje episod nederbörd. Detta är svårt om det inte finns en person på plats dygnet runt för att tömma, men det vore användbart. Eventuellt skulle man kunna ta fram en provtagare som separerar olika nederbördsepisoder från varandra och sköljer av sig mellan varje tömning.
IVL skulle gynnas av att ha ett tätare nät av provtagare, då skulle man kunna se lokala variationer och undersöka hur bland annat topografi påverkar depositionen. Att ha provtagare i större städer och förorter till städer skulle vara bra för att kunna se hur stora skillnader det är mellan städer och landsbygd. För närmare undersöka varför det var högre halter i städerna skulle det behövas mer detaljerade studier i städerna där det skulle vara av intresse att undersöka hur snabbt kväveoxider transformeras till nitrat och löses upp i nederbörd.
I nederbörden som samlades in fanns flera andra ämnen, de skulle kunna analyseras i andra examensarbeten.
Det är viktigt att veta hur snabbt både kväve och ammonium löser ut sig i nederbörden, detta går att undersöka men då krävs både en kemist och en datamodell över lufttransport.
6. Slutsats
Från mätningarna och trajektorierna går det att se en tydlig minskning av kväve i nederbörden med avstånd från källan till föroreningen, där källorna till utsläppen var södra Norge, Danmark, Tyskland, västra Ryssland, Östersjön och Baltikum. Från studier av trajektorier kan slutsatsen dras att kvävehalten i nederbörden beror starkt av vartifrån nederbörden har sitt ursprung. Kommer luftmassan norrifrån är det en betydligt lägre kvävehalt i nederbörden än om lustmassan har sitt ursprung söder om Sverige. Det går även att se förhöjd kvävedeposition i de större städerna.
7. Tack
8
. Referenser
Karlsson, G. P. Hellsten, S. Karlsson, P. E. Akselsson, C. & Ferm, M. (2012),
Kvävedepositionen till Sverige Jämförelse av depositionsdata från
Krondroppsnätet, Luft- och nederbördskemiska nätet samt EMP (IVL Rapport
B2030) Göteborg: IVL Svenska Miljöinstitutet AB. Tillgänglig: http://www.ivl.se/ sidor/publikationer/publikation.html?id=3023 [2014-03-05].
Nafstad, P. Lund Håheim, L. Wislöff, T. Gram, F. Oftedal, B. Holme, I. Hjermann, I. & Leren P. (2004), Urban Air Pollution and Mortality in a Cohort of Norwegian Men,
Environmental Health Perspectives, 112(5), S. 610–615. Tillgänglig: http://
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1241929/pdf/ehp0112-000610.pdf Wallace, J. M. & Hobbs, P. V. (2006), Atmospheric science: an introductory survey,
2:a uppl., Amsterdam: Elsevier Academic Press.
Internetkällor
APIS (Air Pollution Information System), (2014), Ammonia http://www.apis.ac.uk/ overview/pollutants/overview_NH3.htm [2015-11-22]
ARL (Air Resources Laboratory), (2015), Trajectory Model, http://ready.arl.noaa.gov/ hypub-bin/trajasrc.pl [2015-11-25]
Naturvårdsverket, (2015a), Luftföroreningar https://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Klimat-och-luft/Luftfororeningar/ [2015-06-07]
Naturvårdsverket, (2015b), Marknära ozon https://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Klimat-och-luft/Luftfororeningar/Marknara-ozon/ [2015-07-06]
Naturvårdsverket, (2015c), Partiklar https://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/ Klimat-och-luft/Luftfororeningar/Partiklar/ [2015-07-06]
Naturvårdsverket, (2015d), Svaveloxid https://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Klimat-och-luft/Luftfororeningar/Svaveldioxid/ [2015-07-06]
Naturvårdsverket, (2015e), Åtgärdsprogram för luft http://www.naturvardsverket.se/ Stod-i-miljoarbetet/Vagledningar/Miljokvalitetsnormer/Miljokvalitetsnormer-for-utomhusluft/Atgardsprogram-for-luft/ [2015-11-23]
SMHI (Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut), (2015), Hur mäts
nederbörd
http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/hur-mats-nederbord-1.637 [2015-07-28]
Bilagor
Bilaga 1. Uppmätta värden i Gnesta
!
!
Figur 12. Figur a och b visar koncentrationen av nitrat respektive
ammonium där stjärnan visar provtagare a och cirkeln provtagare b, figur c visar den sammanlagda kvävedepositionen och figur d visar den totala mängden nederbörd per dygn (SMHI, 2014) .
Bilaga 2. Uppmätta värden i Saltsjöbaden
!
!
Figur 13. Figur a och b visar koncentrationen av nitrat respektive
ammonium där stjärnan visar provtagare a och cirkeln provtagare b, figur c visar den sammanlagda kvävedepositionen och figur d visar den totala mängden nederbörd per dygn (SMHI, 2014) .
Bilaga 3. Uppmätta värden i Märsta
!
!
Figur 14. Figur a och b visar koncentrationen av nitrat respektive
ammonium där stjärnan visar provtagare a och cirkeln provtagare b, figur c visar den sammanlagda kvävedepositionen och figur d visar den totala mängden nederbörd per dygn (SMHI, 1014) .
Bilaga 4. Uppmätta värden i Uppsala
!
!
Figur 15. Figur a och b visar koncentrationen av nitrat respektive
ammonium där stjärnan visar provtagare a och cirkeln provtagare b, figur c visar den sammanlagda kvävedepositionen och figur d visar den totala mängden nederbörd per dygn (SMHI, 2014) .
Bilaga 5. Uppmätta värden i Falun
!
!
Figur 16. Figur a och b visar koncentrationen av nitrat respektive
ammonium där stjärnan visar provtagare a och cirkeln provtagare b, figur c visar den sammanlagda kvävedepositionen och figur d visar den totala mängden nederbörd per dygn (SMHI, 2014) .
Bilaga 6. Procent av natrium och ammonium i kvävet
!
Figur 17. Procenthalt av nitrat i den totala kvävedepositionen för varje mätstation. De svarta prickarna visar procenthalten och det röda sträcket indikerar 50% gränsen. A B C D E F 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
100 Nitrat i procent av totala kvävet
!
Figur 18. Procenthalt av nitrat i den totala kvävedepositionen för varje mätstation. De svarta prickarna visar procenthalten och det röda sträcket indikerar 50% gränsen. A B C D E F 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
