Ammoniak boven zee: verrassend lage concentraties, maar niet nul

In het stikstofdebat wordt ammoniak meestal direct gekoppeld aan landbouwgebieden, stallen en mestaanwending. Veel minder bekend is dat ammoniak ook boven zeeën en oceanen voorkomt. Niet alleen vlak langs de kust, maar zelfs midden op de oceaan worden meetbare concentraties NH₃ gevonden. Die concentraties zijn doorgaans zeer laag vergeleken met landbouwgebieden op land, maar ze zijn atmosferisch en chemisch gezien wel degelijk relevant.

Juist omdat de concentraties boven zee zo laag zijn, geven deze metingen een interessant beeld van de natuurlijke achtergrond van ammoniak in de atmosfeer. Bovendien laten ze zien hoe dynamisch de uitwisseling tussen zee en lucht eigenlijk is. De zee kan namelijk zowel een sink als een bron van ammoniak zijn.

Een van de klassieke studies hierover is het onderzoek van Asman, Harrison en Ottley uit 1994 naar ammoniakfluxen boven de Zuidelijke Noordzee.   Die studie vormt nog steeds een belangrijk referentiepunt voor mariene ammoniakmetingen.

Open oceaan: extreem lage concentraties

Boven de open oceaan zijn ammoniakconcentraties vaak zeer laag. Typische waarden liggen tussen ongeveer 0,01 en 0,3 µg/m³ NH₃, wat overeenkomt met ongeveer 0,6 tot 18 nmol/m³.

Ter vergelijking:

• 1 nmol/m³ NH₃ = ongeveer 0,017 µg/m³
• 10 nmol/m³ NH₃ = ongeveer 0,17 µg/m³

In studies boven de centrale Pacific Oceaan werden gemiddelde ammoniakconcentraties gemeten van slechts 0,011 µg/m³. Dat komt overeen met ongeveer 0,65 nmol/m³.  

In de noordoostelijke Stille Oceaan werden waarden gemeten van:

• circa 0,01–0,02 µg/m³
• oftewel ongeveer 0,6–1,2 nmol/m³.  

Ook in de tropische mariene atmosfeer blijken concentraties vaak beneden de 0,03 µg/m³ te liggen. Dat zijn niveaus die honderden keren lager liggen dan nabij Nederlandse stallen.

Toch is de ammoniak boven open oceaan niet nul. Dat heeft meerdere oorzaken:

• biologische activiteit in zeewater,
• afbraak van organisch materiaal,
• emissies van planktonprocessen,
• zee-atmosfeeruitwisseling,
• en transport van luchtmassa’s vanaf continenten.

De Noordzee: een heel ander systeem

De Noordzee blijkt atmosferisch gezien totaal anders dan de open oceaan. Dat komt vooral doordat deze zee volledig omringd wordt door intensieve landbouwgebieden van Nederland, België, Duitsland, Denemarken en Engeland.

Daardoor zijn de ammoniakconcentraties boven de Noordzee veel hoger dan boven de centrale oceanen.

De studie van Asman et al. laat zien dat ammoniakconcentraties boven de Zuidelijke Noordzee meestal lagen tussen:

• ongeveer 0,1 en 1,2 µg/m³,
• oftewel circa 6 tot 70 nmol/m³.  

Gemiddeld lagen de concentraties tijdens depositie-episoden rond:

• 0,48 µg/m³
• oftewel ongeveer 28 nmol/m³.  

Tijdens emissie-episoden waren de waarden lager:

• circa 0,10 µg/m³
• oftewel ongeveer 6 nmol/m³.  

De hoogste gemeten concentratie in het onderzoek bedroeg:

• 1,23 µg/m³
• ongeveer 72 nmol/m³ NH₃.  

Dat zijn nog steeds relatief lage concentraties vergeleken met landbouwgebieden op land, maar aanzienlijk hoger dan boven open oceaan.

Vergelijking met Nederlandse landgebieden

Om de verschillen zichtbaar te maken is een vergelijking nuttig.

Gebied

NH₃-concentratie

Centrale Pacific

0,01 µg/m³ (0,6 nmol/m³)

Open Atlantische Oceaan

0,03–0,1 µg/m³ (2–6 nmol/m³)

Noordzee gemiddeld

0,1–0,5 µg/m³ (6–30 nmol/m³)

Noordzee pieken

1,2 µg/m³ (72 nmol/m³)

Nederlands platteland

2–10 µg/m³

Dichtbij stallen

20–200+ µg/m³

De verschillen zijn enorm. Nabij intensieve veehouderij kunnen concentraties honderden keren hoger zijn dan boven open oceaan.

De zee als bron én sink

Een fascinerend inzicht uit mariene ammoniakstudies is dat de zee niet altijd een ontvanger van ammoniak is. Soms stoot de zee juist ammoniak uit naar de atmosfeer.

Dat hangt af van:

• temperatuur,
• pH van het zeewater,
• ammoniumconcentratie in het water,
• wind,
• en de ammoniakconcentratie in de lucht.

De Noordzee blijkt een “fijn gebalanceerd systeem”.  

Wanneer de lucht boven zee veel ammoniak bevat — bijvoorbeeld door aanvoer vanaf landbouwgebieden — dan slaat ammoniak neer op zee. Wanneer de lucht schoner is, kan de zee juist netto ammoniak uitstoten.

De onderzoekers schrijven letterlijk dat:
“the sea becomes a net source of ammonia in air” tijdens bepaalde periodes.  

Vooral in noordelijke delen van de Noordzee verwachten de auteurs dat de zee soms netto ammoniak uitstoot doordat de lucht daar schoner is.  

Temperatuur speelt een sleutelrol

Een belangrijk verschil tussen tropische oceanen en de Noordzee is de temperatuur.

Warm water bevordert emissie van ammoniak vanuit zee naar de lucht. Koud water bevordert juist opname van ammoniak vanuit de atmosfeer.

Daardoor gedragen tropische oceanen zich vaker als een ammoniakbron, terwijl de Noordzee meestal een netto sink is.

De onderzoekers wijzen erop dat de relatief lage temperatuur van de Noordzee depositie bevordert.  

Atmosferische achtergrond boven zee

De metingen boven oceanen en zeeën laten ook zien dat ammoniak een mondiale achtergrondcomponent van de atmosfeer is. Zelfs ver weg van landbouw en industrie blijft meetbare ammoniak aanwezig.

Dat is relevant voor discussies over:

• achtergronddepositie,
• natuurlijke stikstofcycli,
• modellering,
• en de interpretatie van zeer kleine deposities.

Vooral in kustgebieden is de atmosfeer een mengsel van:

• mariene lucht,
• continentale lucht,
• zeespray,
• en regionale emissies.

De Noordzee functioneert daardoor als een soort overgangsgebied tussen natuurlijke en antropogene stikstofstromen.

Een belangrijk inzicht voor het stikstofdebat

De cijfers maken één ding duidelijk: ammoniak boven zee is niet nul, maar de concentraties zijn doorgaans zeer laag. De open oceaan bevindt zich vaak rond 0,01–0,1 µg/m³ NH₃, terwijl de Noordzee meestal tussen 0,1 en 0,5 µg/m³ ligt.

Dat is nog steeds vele malen lager dan in intensieve landbouwgebieden op land.

Tegelijkertijd tonen de studies aan dat de zee-atmosfeeruitwisseling complexer is dan vaak wordt aangenomen. De zee kan ammoniak opnemen, maar onder bepaalde omstandigheden ook uitstoten. Daardoor bestaat boven kustgebieden een natuurlijke én dynamische ammoniakachtergrond die onderdeel is van de stikstofcyclus.