Stikstofdossier: Droge Depositie, de werkelijke Achilles (concept)

Vorige jaar juli 2022 was ik begonnen aan een stukje dat ik nooit heb afgeschreven. Zal ik het alsnog afschrijven over niet? Hieronder het concept van vorige jaar:

Op petje.af : https://petjeaf.com/food4innovations/posts/over-depac-droge-depositie-model-op-foodlognl

Titel: Het Stikstofdossier - Droge Depositie, de werkelijke Achilles hiel van het hele OPS model en dus de onderliggende wetenschap.

Ik heb de laatste maand, en specifiek in mijn vakantie de laatste twee weken me ongans gelezen over “stikstof”. Ik lees niet veel krantenstukken hierover -meestal niet zo sterk op technische onderwerpen- en ook ben ik voorzichtig met formele overheids-websites en rapporten van bijvoorbeeld WUR of RIVM. Ik ga als onderzoeker het liefste terug naar de basis: de wetenschappelijke publicaties dus, op zijn engels de 'papers’. Papers met daarin veel wiskunde (modellen), meetgegevens (data en getallen) en hele lange referentie lijsten. Het wetenschappelijke basis materiaal dus, dat ik geleerd heb te doorgronden en te lezen als jong onderzoeker aan de universiteit en ik dik vijfentwintig jaar later nog doe.

De kennis over de ammoniak-chemie en de door de lucht verspreidingsfysica hiervan is a) relatief goed gekend, b) prima te voorspellen. Verspreiding van (droog) gasvorming vanuit een emissie-punt (bijvoorbeeld een stal, een schoorsteen) is al tientallen jaren of zelfs veel langer bekend. Een van de meest gebruikte modellen is Gaussian Plume Curve. Maar met de opkomst van multifysica solvers (CFD, FEM, ..) kan je vreselijk goed modelleren hoe gasvorming ammoniak zich naar boven en alle andere richtingen zich verspreid rondom een stal.

Een mooi artikel is bijvoorbeeld van Staebler (2009) waarin met een vliegtuig op verschillende hoogtes rondom een feedlot wordt gemeten wat de concentratie aan ammoniak is. Metingen dus! Ja ook een model heeft hij opgesteld, en daar is niks mis mee. Wat ik al schreef het is klassieke chemie en fysica is de verspreiding van ammoniak rondom een boerderij (of stal of schoorsteen). Een stukje uit de samenvatting "An estimate of the budget for a volume centered on the feedlot with dimensions 8 x 8 km x 135 m suggests that 10–35% of the NH3 emitted by the feedlot leaves the volume at elevations between the ground and 135 m, 50–80% leaves the surface layer vertically, dry deposition accounts for 6–12%, and chemical transformation is insignificant."

Droge depositie (zie mijn eerdere reacties deze week hierover op foodlog) is echter een verkeerde term term denk ik. Natte depositie is zure regen (ammoniak lost goed op in een waterdruppel, regen valt op de grond, en dus heb je 'mest' via de regen op de grond en in het grondwater). Die droge depositie -ik weet niet wie ooit die gekke term dus heeft verzonnen- is 'dat wat door grond of gewassen' uit de lucht wordt opgenomen. Bij bomen (bladeren) gebeurt dit vooral via de huidmondjes en niet via cuticula en/of bast. In de chemie praat je over een 'rate' of 'absorptie-rate'. Hiervoor geld ook bij stof-overdracht het equivalent van de wet van ohm (om precies te zijn de wet van Fick). Het concentratieverschil tussen de hoeveelheid ammoniak in de lucht rondom het huidmondje (die je dus wel kunt meten!) en de hoeveelheid in de cellen (via osmotische druk gecorrigeerd als ik me niet vergis), is daarbij de drijvende kracht. Maar er is ook een weerstand over het celwand of membraan. 

Naast de droge ademhaling via huidmondjes is adsorptie van stikstof via een vochtig of nat oppervlak ook mogelijk. Bij voorbeeld in de ochtend als het mistig is of er dauw is. Dan gaat het om adsorptie van ammoniak in de lucht aan een nat oppervlak.

Nu neemt de concentratie rondom een boerderij dus zeer snel af. De emissie verdunt zich immers over drie richtingen bolvorming (voor het simpele beeld) vanuit de punt-emissie en dus neemt de concentratie ammoniak snel af met afstand (bijna exponentieel). Wel zit er een duidelijke weercomponent in het gedrag in de praktijk. Maar het verhaal van turbulentie die ammoniak (normaal lichter dan lucht!) weer op de grond 'duwt' als vorm van droge depositie lijkt me bijzonder onwaarschijnlijk. De wet van Fick zou kunnen dus.

Die absorptie door de vegetatie daar speelt nog een factor een rol: het type vegetatie. Een boom met veel bladoppervlakte in de lucht neemt meer op via de huidmondjes dan een kale vlakte met enkele planten erop. Terug naar de wet van Fick. De verspreiding van ammoniak op afstand neemt dus flink af door de fysische verdunning, maar hierdoor neemt ook de drijvende kracht voor absorptie in planten snel ook af. Een dubbel effect dus! Hierdoor is de droge depositie (eigenlijk opname dus door plantmateriaal) als functie van de afstand van de stal ook snel veel lager. Aan de kant van de wind (hoge wal dus) neemt de concentratie snel 4 orde groottes af per 2 a 3km. Aan de kant waar de wind naar toe gaat, is deze ook 100x lager op afstand 2-3 km.

Ik bijt me nu wat vast in de absorptie van stikstof uit de lucht door planten. Welke stikstofconcentratie in de lucht heeft welke effect op groeisnelheid (vermesting) van de plant. De eerste papers hebben het over ongeveer honderd meter. Andere zeggen na 50 meter, maar heel veel meer dan een paar honderd meter tot maximaal 500 kom ik niet tegen. Met andere woorden op basis van wat ik weet en vooral lees, is droge depositie (opname via planten) vooral een fenomeen dat heel dicht bij de stal een rol speelt. .

Die verdunning door de lucht (turbulentie) blijkt ook uit de satelliet metingen (die een nadeel hebben, ze kunnen niet zien op welke hoogte deze concentratie zit ...) bij de peel is de NH3 concentratie bijvoorbeeld ongeveer 3x hoger dan boven Texel. 3x hoger! niet 100x of 1000x hoger! Dat rode op de concentratie kaartjes ziet er vreselijk uit, maar uiteindelijk gaat het niet op de kleur maar de werkelijk gemiddelde concentratie uitgedrukt in ug per m3.

Wat ik denk dat uitgevoerd moet worden (ik zoek nog naar veel meer papers op dit onderwerp): hoe is de droge vermesting van bomen, struiken, gras, etc. als functie van de concentratie NH3 (en andere N componenten?) dit zou bijvoorbeeld in een kas uitgevonden kunnen worden. De resultaten van dit onderzoek geven een indruk van 'droge depositie' (nogmaals: ik noem dat adsorptie door planten, via wet van Fick). Ik heb de stellige indruk dat dit werkelijke de Achilles is van het stikstof-onderzoek in Nederland, en dus van elk model (inclusief Aerius en specifiek OPS).