NOVA-2003

12. Atmosfærisk nedfald

12.1 Behov og formål
12.2 Den faglige baggrund
12.3 Strategi for overvågning af atmosfærisk nedfald
12.4 Opgørelse af atmosfærisk nedfald 1998-2003
12.4.1 Opgørelse af emissioner
12.4.2 Måling af våddeposition af kvælstofforbindelser m.fl.
12.4.3 Tørdeposition
12.5 Lokalisering af stationsnet
12.5.1 Modelberegninger
12.6 Datahandling og kvalitetssikring
12.7 Forudsætninger for programmets gennemførsel
12.8 Videnopbygning inden næste revision

Atmosfæren modtager forbindelser emitteret fra jordens overflade fra naturlige og fra antropogene kilder. I atmosfæren transporteres disse forbindelser, de omdannes kemisk, for endelig at blive deponeret til jordens overflade.

Overvågningen af depositionen fra atmosfæren foregår indenfor rammerne af baggrundsovervågningsprogrammet for atmosfæren (BOP) (f.eks. Ellermann et al., 1996 og 1997). Dette program er en organisatorisk ramme, der bl. a. overvåger tilførslen af næringsstoffer til vandmiljøet fra atmosfæren. Desuden anvendes data til rapportering internationalt til HELCOM, OSPARCOM og EMEP.

I BOP bestemmes koncentrationer og depositioner af en lang serie kemiske forbindelser herunder kvælstofforbindelser og tungmetaller. Programmet vil i højere grad fremover være rettet mod at kunne beskrive de kemiske og fysiske processer, der ligger bagved de observerede koncentrationer og depositioner, hvilket fører til en forbedret mulighed for at forudsige effekten af ændringer i for eksempel emissionen af en forbindelse.

Udover anvendelsen i forbindelse med Vandmiljøplanens overvågningsprogram indgår det atmosfæriske baggrundsovervågningsprogram i en lang række overvågningsprogrammer og forskningsprojekter. Først og fremmest er måleprogrammet integreret med Ionbalanceprogrammet, som er en del af Skov- og Naturstyrelsens program for overvågning af skov og naturlokaliteter. Et eksempel på anvendelsen i forbindelse med forskningsprojekterne er udviklingen af luftforureningsmodellerne, hvor de mange måleresultater danner basis for videreudvikling og verifikation af modellerne.

Ved etableringen af Vandmiljøplanens overvågningsprogram i 1987-1988 blev det aftalt, at den endelige udformning af atmosfæremåleprogrammet skulle foretages efter, at der foreligger en model, der kan beregne depositionen af kvælstof (Miljøstyrelsen, 1989).

I Havforskningsprogram 90 blev der udviklet en model (ACDEP), der nu anvendes rutinemæssigt i forbindelse med opgørelsen af den atmosfæriske deposition af kvælstof til havet (Skov et al., 1996 og Ellermann et al., 1997). Som følge heraf er måleprogrammet ændret i 1995, således at der fremover måles på 8 stationer med en højere tidslig opløsning end tidligere.

12.1 Behov og formål

Atmosfæriske tilførsler udgør en betydelig del af de samlede tilførsler til vandmiljøet. For at kunne forklare resultaterne af overvågningen af tilstanden i havet er det derfor nødvendigt at have kendskab til størrelsen af og variationen i denne tilførsel.

Formålet med overvågningen af det atmosfæriske nedfald er at bestemme og beskrive luftkvaliteten og dens udvikling over dansk område. Det er også vigtigt at kunne beskrive effekten af ændringer i emissionen af forskellige forurenende stoffer på depositionen. Derfor vil der fremover lægges vægt på at beskrive sammenhængen med emissioner og effekten på størrelsen af depositionen. Herved kan der skabes basis for en vurdering af handlingsplaners og lovgivningers effektivitet, herunder om de overordnede mål bliver opfyldt, samt belyse hvilke forholdsregler, der kan tages for at forbedre luftkvaliteten og mindske depositionen til sårbare og følsomme økosystemer.

Endelig har det atmosfæriske baggrundsovervågningsprogram som mål at varetage de danske forpligtelser i forbindelse med internationale luftovervågningsprogrammer, hvor der stilles krav om overvågning af en lang række af kemiske forbindelser relateret til luftforurening. Overvågningsdata fra en del af målestationerne indgår således i det det europæiske overvågnings- og evalueringsprogram (EMEP), i luftovervågning under Oslo- og Paris-kommissionen (OSPARCOM) og under Helsinki-kommissionen (HELCOM).

Overvågningen af depositionerne fra atmosfæren skal:

• dokumentere udviklingstendenser og virkninger af danske og europæiske foranstaltninger til begrænsning af luftforurening og dermed atmosfærisk deposition over danske vandområder,
• skaffe og formidle viden om luftkvalitet og deposition over danske vandområder, og
• bestemme den årlige deposition af forureningskomponenter til de danske vandområder.

12.2 Den faglige baggrund

Kvælstofforbindelserne omdannes i atmosfæren via kemiske reaktioner med andre af luftens komponenter. Viden om emission af disse forbindelser er derfor også nødvendig. En af de vigtigste forbindelser er sulfat, der hovedsageligt dannes som følge fra emissioner af svovldioxid (SO₂). Svovldioxid reagerer i luften under dannelse af svovlsyre (H₂SO₄). Da svovlsyre er stærkt hygroskopisk og tiltrækker vand fører svovlsyren til dannelsen af partikler.

De enkelte kvælstofforbindelser fjernes fra atmosfæren, dels ved kemiske processer, dels via afsætning f.eks. på jord, på vegetation eller til vandområder. Denne afsætning kaldes deposition. Depositionsprocesserne kan opdeles i tørdeposition og våddeposition.

Den direkte afsætning af gasser og partikler betegnes tørdeposition. Depositionsmængden afhænger af de fysiske og kemiske egenskaber ved de deponerede komponenter tillige med koncentrationerne af disse, idet stigende koncentrationer giver stigende deposition. Ydermere afhænger tørdepositionens størrelse af de meteorologiske forhold såsom højden af og stabiliteten af grænselaget (som udgør den nederste del af atmosfæren, hvortil de fleste af emissionerne foregår), vindhastigheden og luftfugtigheden. Derudover er luftens turbulens og overflade-ruheden vigtige parametre for tørdepositionen. Overflade-ruheden er vidt forskellig over hav og over land og tørdepositionen er derfor typisk 30 % langsommere over hav end over land (Asman et al., 1994).

Atmosfærens vandopløselige komponenter kan optages i sky- eller regndråber og herved udvaskes med nedbøren, hvilket betegnes våddeposition. I lighed med tørdeposition er våddepositionens mængde afhængig af koncentrationerne og de fysiske og kemiske egenskaber ved de deponerede forbindelser, hvor navnlig vandopløseligheden spiller en stor rolle. Derudover er de meteorologiske forhold, herunder mængden og intensiteten af nedbøren, vigtige parametre. Våddepositionen er, som tørdepositionen, større over land end over hav. Grunden er dog en anden, idet den større våddeposition over land er forårsaget af, at der falder mere nedbør over land end over hav.

Det sidste trin i beskrivelsen af de reaktive kvælstofforbindelsers kredsløb i atmosfæren er transporten og spredningen af de kemiske forbindelser som følge af luftmassernes bevægelse med vinden, og som følge af den vertikale opblanding bl.a. mellem grænselaget og den øvrige del af troposfæren. En beskrivelse af transportprocesserne, som styres af de meteorologiske forhold, er nødvendig for at kunne vurdere importen af kvælstofforbindelserne til Danmark fra udlandet og eksporten af kvælstof fra Danmark til de omkringliggende lande. Som følge af de typiske vindforhold er der navnlig tale om import af luft fra de centrale dele af Europa. Denne luft er grundet de mange og store forureningskilder væsentligt mere forurenet end luften ville have været, hvis de danske kilder betragtes isoleret.

En model, som kobler meteorologi- og luftforureningsmodeller, er et vigtigt værktøj til at opnå en forståelse og beskrivelse af transportprocesserne, idet der jo ikke er tale om transport af ‘passive’ luftmasser. Modellen skal tage hensyn til, at der under hele transporten tilføres kvælstof fra emissionskilderne samtidig med, at luftmasserne blandes op, og der deponeres kvælstof til overfladen. Ydermere vil der hele tiden foregå kemiske omdannelser af de forskellige kemiske forbindelser, hvorved kvælstofforbindelser bliver omdannet til andre forbindelser, der deponeres hurtigere. De kemiske reaktioner er derfor i stor udstrækning med til at bestemme, om kvælstofforbindelserne afsættes lokalt eller transporteres over store afstande.

Depositionen af fosfor til havet bliver kun fulgt ekstensivt. Dette skyldes først og fremmest at denne tilførsel er af lille betydning (Ellermann et al., 1997).

12.3 Strategi for overvågning af atmosfærisk nedfald

Danske kildeopgørelser (emissionsopgørelser) af de forskellige forureningskomponenter til brug for modelleringen og vurderingen af depositionen til de danske farvande finder sted uden for rammerne af det nationale vandmiljøprogram.

Deposition af atmosfærens kvælstofforbindelser til de danske fjorde og havområder bestemmes af et komplekst samspil mellem en række faktorer. Det der spiller ind er hvilke forbindelser, der emitteres til atmosfæren, hvor store emissionsmængderne er, de kemiske og fysiske processer i atmosfæren, og endelig de meteorologiske forhold. Disse faktorer bestemmer i høj grad, hvor stor en del af forbindelserne, der bliver importeret fra og eksporteret til de omkringliggende lande, og hvor stor en del, der deponeres. En forståelse af samspillet mellem processerne er et nødvendigt grundlag for at bestemme deposition af kvælstof, idet det ikke er praktisk muligt at måle variationen fra sted til sted over de store arealer, som de danske fjorde og havområder udgør. Derfor anvendes en kobling mellem målinger på udvalgte målestationer og modelberegninger, som er baseret på en detaljeret viden om alle de vigtigste trin i kvælstofcycler i atmosfæren.

Koncentrations- og våddepositionsniveauer skal beskrives ved hjælp af målenettet og modelberegninger. Denne kombination tillader en beskrivelse af atmosfæren over Danmark med en høj geografisk opløsning og gør det også muligt at vurdere årsager til tidslige og geografiske ændringer.

Med Vandmiljøplanens iværksættelse i 1998 er den atmosfæriske del af det tilhørende overvågningsprogram knyttet til det atmosfæriske baggrundsovervågnings-program. Formålet er i denne forbindelse at beskrive atmosfærens indhold af kvælstofforbindelser og depositionen af disse forbindelser til de danske farvande. Resultaterne fra målingerne af atmosfærens indhold af kvælstofdioxid (NO₂), salpetersyre (HNO₃), nitrat (NO₃^-), ammoniak (NH₃), partikelbundet ammonium (NH₄⁺), samt våd- og tørdepositionen af disse indgår årligt i rapporteringen af atmosfæredelen af det nationale program for overvågning af vandmiljøet 1998-2003.

Delelementer i overvågning og opgørelse af atmosfæriske nedfald.

12.4 Opgørelse af atmosfærisk nedfald 1998-2003

Vurderingen af det atmosfæriske nedfald til de danske farvande omfatter både opgørelse af våd- og tørdeposition. Opgørelse af emissionerne er ikke en integreret del af NOVA-2003.

12.4.1 Opgørelse af emissioner

Emissioner af kvælstofforbindelser er såvel antropogene som biogene, men langt hovedparten af kvælstofforbindelserne stammer fra menneskelig aktivitet. I Danmark består ca. 96 % af kvælstofemissionen af kvælstofoxider (NO og NO₂) og ammoniak (NH₃). De resterende ca. 5 % består af lattergas (N₂O), som er en vigtig drivhusgas. Latter-gas har dog ingen betydning i forbindelse med deposition af kvælstofforbindelser til fjorde og havområder, idet den ikke omdannes i den nedre del af atmosfæren og kun i ringe grad deponeres.

Kvælstofoxiderne dannes og emitteres i forbindelse med alle forbrændingsprocesser, idet den høje temperatur (>800 ^oC) fører til dannelse af to iltatomer (O) via spaltning i luftens ilt (O₂), der derefter reagerer med atmosfærens indhold af kvælstof (N₂) og danner kvælstofmonooxid.

Forbrændingsprocesser i bilmotorer vil derfor hovedsageligt danne og emittere kvælstofmonoxid. En del kvælstofmonoxid vil imidlertid omdannes kemisk til kvælstof-dioxid (NO₂) inden emissionen og gennemsnitligt regnes der med, at trafiklemissionen består af 90-95 % kvælstofmonoxid og 5-10 % kvælstofdioxid. Udover trafik bidrager kraftværker til emission af kvælstofoxider.

Emissioner af ammoniak til atmosfæren stammer udelukkende fra landbruget; dvs. afdampning fra dels husdyrgødning og ekskrementer, dels kunstgødning.

Emission af svovldioxid stammer primært fra afbrænding af fossile brændsler i kraftværker.

En anden gruppe af forbindelser, for hvilke emissionerne og de kemiske reaktioner spiller en stor rolle for kvælstofforbindelserne, er de såkaldte VOCere (volatile organic compounds = letfordampelige organiske forbindelser). VOC er en fælles-betegnelse for mange hundrede organiske forbindelser, der både emitteres som følge af menneskelige aktiviteter og som følge af dyr og planters vækst. For danske forhold mener man, at det er emissioner fra antropogene kilder, der er vigtigst.

12.4.2 Måling af våddeposition af kvælstofforbindelser m.fl.

Våddeposition af luftens indhold af kemiske forbindelser bestemmes ved kontinuerligt af indsamle nedbørsprøver på de forskellige målestationer. Mængden af nedbør bestemmes ved vejning og prøven analyseres for nedbørens indhold af de forskellige kemiske forbindelser, hvoraf ammonium og nitrat er de vigtigste i denne sammenhæng.

I tabel 12.2 er vist, hvilke parametre der måles og angivelse af detektionsgrænse.

Våddepositionen beregnes ud fra analyser af nedbørsprøver, der analyseres for ammonium (NH4+) og nitrat (NO3-) samt måling af nedbørsmængden.

Tørdepositionen estimeres ud fra analyser af atmosfærens indhold af gasformige kvælstofforbindelser: nitrogendioxid (NO₂), ammoniak (NH₃) og salpetersyre (HNO₃) samt af partikelbundne kvælstofforbindelser: ammonium (NH₄⁺) og nitrat (NO₃^-).

Andre forbindelser og komponenter måles og anvendes her som kontrolparametre. I nedbør er det pH, SO₄^2-, Na, Ca m.fl. I gas- og aerosol-fase er det SO₄^2-, SO₂ og tungmetaller.

12.5 Lokalisering af stationsnet

Målenettet fremgår af figur 12.1. Stationerne, der dækker Danmark geografisk og er alle placeret i naturområder. De er generelt set i ringe grad påvirket af lokale kilder, dog er Lindet og Ll. Valby indvirkning af emissioner fra lokale landbrug. Keldsnor, Anholt og Pedersker er kyststationer, Ulborg og Frederiksborg er skovstationer, dette er også tilfældet for Lindet, men denne station er som tidligere nævnt også påvirket af emissioner fra lokale landbrug. Ll. Valby og Tange stationerne er placeret i åbent landskab. Tange ligger ved Tange Sø og Ll. Valby er placeret på en åben mark.

Nettet af målestationer er primært tilrettelagt med hensyn på at beskrive eventuelle geografiske variationer i luftkvaliteten bedst muligt indenfor programmets økonomiske rammer. Vigtigt er det imidlertid også at sikre kontinuitet, idet målinger foretaget gennem lang tid og på samme sted giver mulighed for at studere den tidslige udvikling i luftkvaliteten. Nettet er derfor bygget op omkring gamle målestationer oprettet i forbindelse med andre måleprogrammer. Siden hen er nettet blevet suppleret med nye målestationer.

Ændringerne i målenettet fra 1994 til 1995 er få; målestationen ved Store Jyndevad er lukket og målestationen på Rømø er af praktiske årsager flyttet til Fanø. Rømø og Fanø ligger tæt på hinanden og det vurderes derfor, at resultaterne fra de to stationer til en vis grad er sammenlignelige. Til gengæld er antallet af målestationer reduceret kraftigt ved udgangen af 1995, idet kun de seks hovedstationer (Ulfborg, Tange, Lindet, Anholt, Keldsnor, Frederiksborg) samt nedbørsstationen ved Pedersker er bibeholdt. Samtidigt hermed er endnu en hovedstation blevet oprettet ved Lille Valby ved Roskilde. Ændringerne er foretaget for at optimere målenettet og udnyttelsen af de til rådighed værende ressourcer.

På hovedstationerne indsamles både nedbørs- og luftprøver, mens der på de resterende målestationer kun indsamles nedbørsprøver. Prøverne opsamles kontinuerligt året rundt. Luftprøverne opsamles på døgnbasis, mens nedbørsprøverne opsamles over en periode på en halv måned; dvs. nedbøren akkumuleres i perioder af en halv måned. Tabel 12.3 angiver, hvilke prøver, der opsamles på de forskellige stationer, og hvor mange prøvetagere, der er placeret på den enkelte station.

12.5.1 Modelberegninger

Til modelberegningerne anvendes også meteorologiske data stillet til rådighed af EMEP MSC-W (European Monitoring and Evaluation Programme, Meteorological Synthesizing Centre - West) ved det Norske Meteorologiske Institut (DNMI). Desuden anvendes også meteorologiske data fra danske lufthavne.

For hvert år vil ACDEP-modelberegningerne blive sammenlignet med de observerede niveauer af depositioner og koncentrationer på målestationerne for om nødvendigt af korrigere for usikkerheder i modellen forårsaget for eksempel af usikkerhederne i emissionsopgørelserne.

12.6 Datahandling og kvalitetssikring

En vigtig forudsætning for at beskrive atmosfærens miljøtilstand er at målingerne er troværdige. Derfor er måleprogrammet designet under behørig hensyntagen til QA/QC (Quality Assurance and Quality Control) og ved udgangen af 1998 forventes at nedbørs, gas og aerosol målingerne alle er akkrediterede (EN 45001 akkreditering).

Data sammenfattes løbende i kvartalsrapporter og tolkes i årsrapporten i forbindelse med rapportering til NOVA-2003.

12.7 Forudsætninger for programmets gennemførsel

En forudsætning for gennemførelse af en pålidelig overvågning og modelberegning af nedfaldet af kvælstof til havet er henholdsvis:

• at målenettet i baggrundsovervågningsprogrammet for atmosfæren (BOP) videreføreres i sin nuværende form og omfang,
• at der udarbejdes de nødvendige emissionsopgørelser på europæisk skala, og
• at der er meteorologiske data til rådighed på europæisk skala.

12.8 Videnopbygning inden næste revision

Sammenligninger mellem resultater fra ACDEP-modellen og fra målenettet viser, at der er store usikkerheder i modellen. Derfor skal begyndelses- og grænsebetingelser i modellen løbende underkastes en kritisk vurdering og, hvis påkrævet, forbedres.

Et stort problem i det nuværende måleprogram er, at gasfase ammoniak og partikulært ammonium samt gasfase salpetersyre og partikulært nitrat måleteknisk ikke kan adskilles. Dette vil blive søgt løst i løbet af programperioden, således at der inden den næste samlede revision af programmet kan optimere måleprogrammet i forhold til den teknologiske udvikling, den opnåede viden om kemiske og fysiske processer samt eventuelle ændringer i emissionerne.

I programmet måles der tungmetaller på 8 stationer. Målingerne kan på nuværende tidspunkt ikke generaliseres ved hjælp af modeller på samme måde som for kvælstofdepositionen. Hertil vil det være nødvendigt at udvikle et nyt modul, der tager højde for de helt specielle forhold der gælder for disse komponenter. Desuden foretages tungmetalmålingerne i nedbør eksternt, hvilket vanskeliggør at opnå et konstant dataflow.

Miljøfremmede stoffer indgår ikke i atmosfæreprogrammet. Der skal derfor i programperioden gennemføres et grundigt litteraturstudium af hvilke stoffer, der transporteres i luft og om stofferne findes på gas- eller partikelform. På denne baggrund skal der inden næste revision gennemføres screeninger for en række kendte problemstoffer ved forskellige vindretninger og perioder af året.

Endelig skal der, i det omfang det er muligt, udvikles og opstilles modeller, der gør det muligt at beregne depositionen af miljøfremmede stoffer.