11 min
De in Delft opgeleide ir. Wouter de Heij pelt de modellen af waarmee het RIVM de ammoniaklast op Nederlandse natuur berekent en vaststelt wie voor die last verantwoordelijk kan worden gehouden. Hij startte met de boude stelling dat de invloed van een boer op Schiermonnikoog na een paar honderd meter niet meer merkbaar is in de lucht. In een vervolgartikel liet hij op basis van meetgegevens de afnemende invloed van ammoniak zien als een functie van afstand op een zogenaamde log-log schaal, vermoedelijk de eerste in de wetenschappelijke literatuur. Vandaag vraagt hij medewerking om vast te stellen of het vermoeden waarvoor hij sterke aanwijzingen heeft, klopt: het RIVM onderschat de ammoniak die direct bij de boer landt met een factor 5 of misschien meer. Dat betekent dat de ammoniak die elders landt, lager moet zijn. Als het klopt, heeft dat consequenties voor de Natuuurbeschermingswet en de modellen die de wet ondersteunen.
Afgelopen week publiceerde ik een grote grafiek met de meetgegevens van verschillende stallen. De afbeelding liet op basis van praktijkgevallen zien hoe de concentratie ammoniak in de lucht daalt als functie van de afstand op een log-log schaal. Zo’n schaal wordt gebruikt om processen met een machtsverband in een grafiek te zetten. De verdunning van de ammoniakconcentratie op afstand van een stal volgt een machtsverband en het is gebruikelijk om dan een dubbel-logaritmische grafiek te gebruiken om ook de ‘kleine’ getallen te kunnen weergeven die anders te dicht op de nul-lijn liggen.
De concentraties rondom de stal zijn rond de 100-150 µg per m3, op een redelijke afstand van 50-100 meter zakken ze naar ongeveer 50-100 µg per m3. Vanaf ongeveer 250-500 meter gaat deze concentratie vrijwel geheel op in de achtergrondconcentratie. Voor de casus Schiermonnikoog rekende ik voor dat bij de emissiereductie op het eiland in 2021 van ongeveer 21% tot 38% de concentratie op 800 meter afstand met pakweg 0,2 ug/m3 zou reduceren, een in de praktijk niet meetbare daling. Nu gaat het bij het vergunningbeleid in het kader van de Natuurbeschermingswet en de zorgen om vermesting van de natuur natuurlijk niet om de ammoniak-concentraties in de lucht. Het gaat om de depositie, de ammoniak die als stikstofmest op natuur neerdaalt. Ik eindigde daarom in het vorige artikel met twee onderzoeksvragen waar ik nog steeds mee aan de slag ben:
Kritiek organiseren
Deze tekst gaat in op de tweede vraag. Uit de literatuur blijkt dat het verband lineair is, maar dat is een veronderstelling. Of die correspondeert met de werkelijkheid staat nog altijd niet vast op basis van feitelijk fundamenteel onderzoek. De preciezere onderzoeksvraag is dan ook: 'Wat weten we over het feitelijke gedrag van de relatie concentratie-depositie?' zeker als de concentratie in de range van 20-100 ug/m3 zit en ook moeten we willen weten wat de totale depositie uiteindelijk is op het boerenerf.
Deze tekst probeert een eerste antwoord te vinden. Mijn doel is kritiek te organiseren om mijn bevindingen te controleren.
Depositie en verspreiding volgens het RIVM
De onderstaande grafiek (figuur 1) komt regelmatig voorbij in officiële publicaties en Haagse documenten. Het plaatje geeft aan welke fractie van stal-emissies op welke afstand weer dichtbij op Nederlandse bodem terecht komen. Volgens het RIVM komt ongeveer 5% van de emissie van een stal binnen een straal van 500 meter weer neer. Als ik uitga van 12 kg per koe per jaar, en een stal met 120 koeien, dan is de totale emissie 1440 kg ammoniak per jaar. Hiervan zou dan 72 kg per jaar (ongeveer 1 kg per hectare per jaar) binnen 500 meter terecht komen en maar liefst 1368 kg verspreid worden over afstanden van maar liefst 250 km. Deze grafiek komt mij al lang als onwaarschijnlijk over zal ik eerlijk bekennen.
Piet Hoogland merkte terecht recent op Foodlog op "Een straal van 500m is 78,5 hectare. Bij een stalemissie/depositie van 1440 kg en delen door 78,5 ha = 18,3 kg per ha. Volgens mij klopt het wel dat ongeveer 40 - 70% van de emissie als depositie neerslaat op de hectares landbouwgrond rondom een stal".
Het RIVM stelt met een meetpalensysteem (COTAG) vast dat de depositie bij zeer lage concentraties ammoniak van 2-4 ug/m3 ongeveer al 5-10 kg per hectare is. Rondom stallen is de gemeten concentratie echter al snel 60-120 ug/m3, flink hoger dan de locaties waar de COTAG-palen staan. We mogen daarom veronderstellen dat daar de depositie ook rond de 50-150 kg per hectare zou kunnen zijn.
Figuur 1 – Percentage van ammoniakbron dat neerkomt binnen 500 meter volgens RIVM
Depositiesnelheid
Onderzoeken gericht op het meten van de depositie die direct dicht bij de emissiebron neerslaat - de zogenaamde ‘droge depositie’ die niet afhankelijk is van regenval - zijn in twee groepen te verdelen. Natuurkundig georiënteerde onderzoekers kijken vanuit flux-metingen waarbij een concentratie-gradiënt in de hoogte (de Z-richting) wordt terugvertaald naar een flux naar het horizontale vlak, de grond. Het begrip flux wordt gebruikt voor het aantal kilogram (of mol) reactief stikstof dat per m2 oppervlak en per tijdseenheid wordt opgenomen. Een twee groep onderzoekers kijkt vooral naar de biologische stikstof-opname van bijvoorbeeld gras, gewassen of mossen. Ik ben van mening dat de getallen waarmee beide groepen komen een vierkantstelling moeten opleveren. Dat wil zeggen dat er aansluiting op deze getallen moet zijn.
Er bestaat een grote hoeveelheid wetenschappelijke literatuur rond fluxmetingen. Ook het oorspronkelijke (promotie-)onderzoek van de Nederlandse stikstofmodelleur Jan Willem Erisman is gebaseerd op dergelijke fluxmetingen.
In de modellen van het RIVM (OPS) zit ook een flux-model. Een fluxmodel gaat uit van een drijvende kracht (het concentratieverschil in de Z-richting, vergelijkbaar met het potentiaalverschil op een stopcontact), meerdere weerstanden en een "stroom" of te wel de flux naar de bodem en/of vegetatie toe. In de literatuur wordt echter niet de weerstand (R_tot) gepubliceerd maar wordt meestal de depositie-snelheid (1/R_tot) genoemd. Deze grootheid heeft de eenheid [m/s], al wordt meestal [cm/sec] gebruikt voor de depositiesnelheid (Engels: Deposition Velocity, DV).
Het begrip depositie-snelheid verbergt variërende eigenschappen zoals a) het soort gewas, b) de soort bodem, c) gedrag van de huidmondjes, d) bladoppervlak, en e) turbulentie, diffusie en convectie naar het grensoppervlak. Het RIVM meet met drie COTAG-palen op basis van de gemeten luchtconcentratie en luchtsnelheid. Vervolgens schat het instituut met een model de depositiesnelheid op de betreffende meetlocatie.
Inmiddels zijn in de wetenschappelijke literatuur de nodige feitelijk vastgestelde metingen te vinden over depositiesnelheid. Om met de deur in huis te vallen, de range van getallen die ik tegenkom, beweegt zich tussen 0,6 tot 1,5 cm/seconden. In de Aerius-documentatie staat 1 cm/seconden. Ik ben nog bezig met de afronding van een uitvoerige literatuurstudie maar kom vooralsnog uit op een gemiddelde van ongeveer 0,85 cm/seconden. Ook de Nederlandse Aerius-kenners Gerard Cats en Sieward Nijhuis benoemden recent op Foodlog deze 1 cm per seconde als gangbare waarde. De onderzoeksvraag blijft wel of deze waarden representatief zijn als de ammoniakconcentratie ook hoog is zoals nabij een stal, en hoe het gewas en het weer nog van invloed zouden kunnen zijn. Onderstaande tabel komt uit een wetenschappelijk artikel:
Tabel 1 - Tabel uit de wetenschappelijke literatuur met depositie snelheden in centimeter per seconde
Eerste depositie-inschattingen via depositiesnelheid
Als we veronderstellen dat 1 cm/sec een mooie schatter is voor de depositiesnelheid en er van uit gaan dat de gemeten ammoniakconcentraties uit het vorige artikel correct zijn, dan kunnen we een eenvoudige tabel in Excel maken die a) de afstand tot de stal, b) de bijbehorende ammoniakconcentratie en c) de flux in g/m2/sec en d) de flux in kg/hectare/jaar vergelijkt. De som is eenvoudig: "vermenigvuldig de depositie-snelheid met de concentratie in de lucht". De onderstaande tabel laat zien hoe dit uitpakt.
Tabel 2 – Berekende stikstofdepositie in kilogram per hectare per jaar op basis van een kleine depositie snelheid van 0,83 m/sec (min) en een grotere depositie snelheid van 1,28 m/sec (max), ammoniak concentraties in functie van afstand komt ongeveer overeen met de praktijkmetingen
Ik heb een bevriende onderzoeker gevraagd om via de Aerius Calculator (en parallel ook met zijn eigen lokale OPS-versie) door te rekenen wat de depositie zou zijn volgens het model op kleine afstand van de stal. Volgens de Aerius Calculator is de depositie ongeveer 600 mol op 25 meter afstand. Dat is veel lager vergeleken bij de verwachte 6000 mol (85 kg) of hoger die uit bovenstaande tabel komt op basis van bekende depositiesnelheden.
Om die reden nodig ik de bureau’s en experts in Nederland die Aerius-berekeningen maken uit dit numerieke experiment nog eens te herhalen. Ik vermoed dat de Aerius Calculator een misrekening bevat die de lokale ammoniakconcentratie gemakkelijk met een factor 6 onderschat. Vermoedelijk zit het euvel in de emissie-module. Ik wil echter niet uitsluiten dat ik zelf ergens een logica- of rekenfout heb gemaakt. Omdat mijn constatering echter forse consequenties kan hebben, vraag ik deskundige critici mijn rekenwerk te checken en hun conclusies te delen.
Hoeveel stikstof wordt rond een stal opgenomen?
De werkelijke fluxen lijken door de hoge ammoniakconcentraties lokaal hoog te zijn. Rest daarom, de vraag te beantwoorden hoeveel van de stal-emissies door de boerderij en het omliggende land worden opgenomen?
Volgens de RIVM-website is dat antwoord dus 5% en wordt 95% tot een afstand van wel 250 kilometer verspreid. Ik heb aan die getallen inmiddels ook gemodelleerd en geconstateerd dat dat niet eenvoudig in een Excel-model te doen valt. De depositie-flux is immers in zowel de X- als Y-richting verschillend. Om het wel te kunnen is een 3D-model nodig waarmee we een wiskundige flux-integratie kunnen uitvoeren over het hele grondoppervlak. Daar heb ik mijn Gaussian Plume model De Heij (GP-De Heij) versie 2 voor ontwikkeld, waarover ik al vertelde in mijn eerdere tekst. In deze tweede versie heb ik ook verticale depositie-flux naar bodem en vegetatie opgenomen in het model.
Laten we eens kijken wat er uit deze berekeningen komt als we uitgaan van een stal met 120 koeien, een D (neutraal) voor de weerstabiliteitsklasse, een emissie-puntbron met een hoogte van 2 meter en een windsnelheid van 2 meter per seconde. In Figuur 2 staat de concentratie ammoniak in de lucht boven het grondniveau maar dit keer in het X-Y vlak (let op: de heatplot is afgebeeld op een logaritmische schaal voor de ammoniak concentratie), waarbij de lage concentraties voor het gemak afgerond zijn naar 0,1 ug/m3, een waarde die niet meer meetbaar is.
Figuur 2 Simulatie met GP-DeHeij versie 2 met depositiesnelheid in het model. Heat plot geeft de log10(ammoniakconcentratie) weer van boven in het X-Y vlak boven de grond
Mijn eenvoudige GP-De Heij is nog niet in staat om rekening te houden met het feit dat de wind uit verschillende richtingen kan komen en gebruikt derhalve een dominante windrichting. Mijn model is al evenmin in staat om te rekenen met verschillende grondtypen en veronderstelt daarom dat iedere grond eenzelfde soort 'ruwheid' heeft. Ook veronderstelt het dat de ammoniakconcentratie in de lucht en de depositiesnelheid een rechtevenredig verband hebben. Daar gaan overigens ook DEPAC en de nodige vakliteratuur van uit.
Zoals gezegd kan GP-De Heij over het hele oppervlak X-Y (in mijn rekenmodel van 0 meter tot 1000 meter in de X-richting en -250 meter tot 250 meter in Y-richting) een flux-integratie uitvoeren. Hierdoor krijg ik de cumulatieve depositie uitgedrukt in kg die ik als functie van de afstand van de stal geplot heb (Figuur 3) voor deze 40 hectare grond (400 meter bij 1000 meter).
Figuur 3: totale depositie als functie van stal afstand bij weerklasse D, windsnelheid 2 meter per seconde en een boerenerf van 40 hectare groot (400 x 1000 meter). De gebruikte depositie snelheid is 1 meter per seconde. Emissie is 12 kg per koe per jaar.
De grafiek laat zien dat op een afstand van pakweg 1000 meter er dik 400 kg stikstof is opgenomen. De depositie is logischerwijze vooral hoog vlak bij de stal, en aan de randen is de depositie verwaarloosbaar klein. Nadrukkelijk wil ik opmerken dat dit model uitgaat van een emissie vanuit de stal als puntbron en een vereenvoudiging waarbij er geen enkele achtergrondconcentratie is of natte depositie. vierhonderd kilogram stikstof terug op het land dus van de oorspronkelijke 1440 kg stalemissie, dat is ongeveer 30% of te wel bijna 6x hoger dan wat RIVM op zijn website aangeeft (Figuur 1). Alleen als de depositiesnelheid in het model sterk verlaagd wordt naar een zeer onrealistische 0,03 cm/sec (wat dertig keer te laag is vergeleken met praktijkexperimenten) kan je tot een totale depositie op het boerenerf komen van maar enkele procenten van de emissie. Of veronderstellen dat er een hoge schoorsteen is, of dat er een grote warmte-inhoud in de emissies zit.
Hieronder tot slot ook een heatplot van de eerste OPS-berekening waarbij ook uitgegaan is van een stal met 120 koeien met eenzelfde emissie. Volgens OPS is het roodste puntje 600 mol per hectare per jaar; dat is echt veel en veel te laag.
Figuur 4: Een eerste OPS-berekening waarin de depositie in rood is weergegeven. Hoogste waarde is 600 mol per hectare per jaar (8,5 kg), in de simulatie heeft de stal 120 koeien extra wat overeenkomst met een emissie van 1440 kg. In tegenstelling tot eerdere figuren is de depositie-kleur lineair en niet logaritmisch
Overige aanwijzingen.
Waarom zou een modelletje van amateur De Heij aandacht verdienen? Dat is een terechte vraag. Toch zijn er goede redenen voor: a) soortgelijke GP-modellen worden al sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw gebruikt en een vorm hiervan zit ook in OPS, b) de massabalans klopt en moet altijd kloppen c) mijn GP-model voorspelt de concentratie in functie van afstand behoorlijk goed als je het vergelijkt met de concentratie-metingen in de praktijk, d) er is weinig discussie in de literatuur over de depositie snelheid van pakweg 1 centimeter per seconde.
En er is meer evidentie. Onderzoek van de UvA en ouder onderzoek van de WUR (Egbert Lantinga) hebben de directe opname met biomarkers gemeten. Daaruit blijkt dat gelijkenis tussen biomarkermetingen en de voorspellingen van het eenvoudige GP-De Heij aardig is. Wie verder in de literatuur duikt, vindt keer op keer bevestigingen van hoge lokale depositievolumes nabij de stal of emissiebron. Boeren zeggen keer op keer tegen mij persoonlijk "dichtbij de stal gaan soms plantjes dood, op wat meer afstand groeien ze als een tierelier". En ook onderzoeker Jaap Schröder heeft, zoals al gezegd, hoge stikstofopnames tot wel 100 kg geconstateerd bij de blanco's van zijn onderzoeksveldjes.
Ook is er het onderzoek van marien ecoloog en prof. em. Han Lindeboom. Hij promoveerde in 1979 op fundamenteel onderzoek over de stikstofcyclus, waarvoor hij uitvoerig onderzoek had gedaan tussen de pinguïns op Marioneiland, tussen Zuid-Afrika en de Zuidpool. Door hun gecombineerde poep-urine afscheiding produceren ze veel stikstof die via microbiële afbraak grotendeels als ammoniak de lucht in gaat. Lindeboom deed metingen en constateerde: "Via de regen komt deze stikstof neer naast de kolonie aan de benedenwindse kant. Daar groeit veel gras maar het is maar tot ongeveer 500 meter vanaf de kolonie, zodra je duizend meter verder bent heb je weer de normale vegetatie."
Is Aerius dan toch niet zo goed?
Ik voer al jaren onderzoek uit naar het stikstof- en fosfaatdossier maar sinds enkele maanden vrijwel elke dag. Maak ik fouten? Vast! Juist daarom steek ik mijn hand uit naar andere onderzoekers die samen met mij willen rekenen in OPS. Zelf vertrouw ik vooral de praktijkmetingen zoals deze in de literatuur te vinden zijn. De concentratie direct rondom een stal is hoog, veel hoger (pakweg 10 keer) dan de achtergrondconcentratie. De afname van deze concentratie tot de achtergrondconcentratie is een fenomeen dat zich duidelijk afspeelt over de eerste 250 à 500 meter, en dus het gros van de depositie ook, is mijn eenvoudige hypothese. Wat voorspelt OPS voor de lokalesituatie op vergelijkbare afstanden, is en blijft dus een cruciale vraag.
Ik heb geen enkele aanwijzing dat de gerapporteerde deposition velocity's in de literatuur verkeerd zijn, daar zoek ik het antwoord dus in eerste instantie nog niet. Daarom zeg ik tegen alle Aerius-modelleurs: "als je aanneemt dat de depositie evenredig is met de concentratie en als je aanneemt dat de deposition velocity rond de 0,8 en 1,3 cm/sec is, hoe ziet jullie voorspelling er dan uit in de eerste 500 meter?"
De eerste simulatie-resultaten heb ik ondertussen al gezien, maar nu is het tijd voor checks en double checks. Ik blijf op basis van mijn kennis tot nu toe voorzichtig maar durf wel steeds nadrukkelijker de hypothese in stelling te brengen dat OPS de ammoniakconcentratie en daarmee de depositie in de eerste 500 meter onderschat. Dat betekent automatisch dat OPS een overschatting geeft op kilometerschaal van beide grootheden. Een logische consequentie hiervan is dat pakweg 40% tot 75% van de emissies 'op het boerenland' terecht komt en niet de 4-5% die het RIVM al jaren presenteert.
Wie wil deze hypothese met mij gaan debunken of juist bevestigen?
Dit artikel afdrukken
De concentraties rondom de stal zijn rond de 100-150 µg per m3, op een redelijke afstand van 50-100 meter zakken ze naar ongeveer 50-100 µg per m3. Vanaf ongeveer 250-500 meter gaat deze concentratie vrijwel geheel op in de achtergrondconcentratie. Voor de casus Schiermonnikoog rekende ik voor dat bij de emissiereductie op het eiland in 2021 van ongeveer 21% tot 38% de concentratie op 800 meter afstand met pakweg 0,2 ug/m3 zou reduceren, een in de praktijk niet meetbare daling. Nu gaat het bij het vergunningbeleid in het kader van de Natuurbeschermingswet en de zorgen om vermesting van de natuur natuurlijk niet om de ammoniak-concentraties in de lucht. Het gaat om de depositie, de ammoniak die als stikstofmest op natuur neerdaalt. Ik eindigde daarom in het vorige artikel met twee onderzoeksvragen waar ik nog steeds mee aan de slag ben:
- Hoe goed voorspelt OPS de lokale ammoniakconcentratie binnen pakweg 1000 meter?
- Hoe zit de relatie tussen de ammoniakconcentratie en de (droge) depositie in elkaar?
Kritiek organiseren
Deze tekst gaat in op de tweede vraag. Uit de literatuur blijkt dat het verband lineair is, maar dat is een veronderstelling. Of die correspondeert met de werkelijkheid staat nog altijd niet vast op basis van feitelijk fundamenteel onderzoek. De preciezere onderzoeksvraag is dan ook: 'Wat weten we over het feitelijke gedrag van de relatie concentratie-depositie?' zeker als de concentratie in de range van 20-100 ug/m3 zit en ook moeten we willen weten wat de totale depositie uiteindelijk is op het boerenerf.
Deze tekst probeert een eerste antwoord te vinden. Mijn doel is kritiek te organiseren om mijn bevindingen te controleren.
Depositie en verspreiding volgens het RIVM
De onderstaande grafiek (figuur 1) komt regelmatig voorbij in officiële publicaties en Haagse documenten. Het plaatje geeft aan welke fractie van stal-emissies op welke afstand weer dichtbij op Nederlandse bodem terecht komen. Volgens het RIVM komt ongeveer 5% van de emissie van een stal binnen een straal van 500 meter weer neer. Als ik uitga van 12 kg per koe per jaar, en een stal met 120 koeien, dan is de totale emissie 1440 kg ammoniak per jaar. Hiervan zou dan 72 kg per jaar (ongeveer 1 kg per hectare per jaar) binnen 500 meter terecht komen en maar liefst 1368 kg verspreid worden over afstanden van maar liefst 250 km. Deze grafiek komt mij al lang als onwaarschijnlijk over zal ik eerlijk bekennen.
Piet Hoogland merkte terecht recent op Foodlog op "Een straal van 500m is 78,5 hectare. Bij een stalemissie/depositie van 1440 kg en delen door 78,5 ha = 18,3 kg per ha. Volgens mij klopt het wel dat ongeveer 40 - 70% van de emissie als depositie neerslaat op de hectares landbouwgrond rondom een stal".
Ik blijf op basis van mijn kennis tot nu toe voorzichtig maar durf wel steeds nadrukkelijker de hypothese in stelling te brengen dat OPS de ammoniakconcentratie en daarmee de depositie in de eerste 500 meter onderschat. Dat betekent automatisch dat OPS een overschatting geeft op kilometerschaal van beide grootheden. Een logische consequentie hiervan is dat pakweg 40% tot 75% van de emissies 'op het boerenland' terecht komt en niet de 4-5% die het RIVM al jaren presenteertVan Jaap Schröder - oud-WUR expert op het gebied van bemesting van landbouwgewassen - vernam ik dat veld-metingen laten zien dat 50 of zelfs 100 kg per hectare werd opgenomen door zogeheten ‘blanco’s’. Die blanco’s zijn testveldjes waar bewust geen (kunst)mest op wordt aangebracht bij wetenschappelijk onderzoek om ze te vergelijken met de resultaten van bemeste veldjes. Schröder veronderstelde dat er wat ammoniak van een bemest veldje per ongeluk lokaal op zo’n blanco veldje toch een flink hogere ammoniakconcentratie kon veroorzaken met de daaruit resulterende stikstofopname.
Het RIVM stelt met een meetpalensysteem (COTAG) vast dat de depositie bij zeer lage concentraties ammoniak van 2-4 ug/m3 ongeveer al 5-10 kg per hectare is. Rondom stallen is de gemeten concentratie echter al snel 60-120 ug/m3, flink hoger dan de locaties waar de COTAG-palen staan. We mogen daarom veronderstellen dat daar de depositie ook rond de 50-150 kg per hectare zou kunnen zijn.
Figuur 1 – Percentage van ammoniakbron dat neerkomt binnen 500 meter volgens RIVMDepositiesnelheid
Onderzoeken gericht op het meten van de depositie die direct dicht bij de emissiebron neerslaat - de zogenaamde ‘droge depositie’ die niet afhankelijk is van regenval - zijn in twee groepen te verdelen. Natuurkundig georiënteerde onderzoekers kijken vanuit flux-metingen waarbij een concentratie-gradiënt in de hoogte (de Z-richting) wordt terugvertaald naar een flux naar het horizontale vlak, de grond. Het begrip flux wordt gebruikt voor het aantal kilogram (of mol) reactief stikstof dat per m2 oppervlak en per tijdseenheid wordt opgenomen. Een twee groep onderzoekers kijkt vooral naar de biologische stikstof-opname van bijvoorbeeld gras, gewassen of mossen. Ik ben van mening dat de getallen waarmee beide groepen komen een vierkantstelling moeten opleveren. Dat wil zeggen dat er aansluiting op deze getallen moet zijn.
Er bestaat een grote hoeveelheid wetenschappelijke literatuur rond fluxmetingen. Ook het oorspronkelijke (promotie-)onderzoek van de Nederlandse stikstofmodelleur Jan Willem Erisman is gebaseerd op dergelijke fluxmetingen.
In de modellen van het RIVM (OPS) zit ook een flux-model. Een fluxmodel gaat uit van een drijvende kracht (het concentratieverschil in de Z-richting, vergelijkbaar met het potentiaalverschil op een stopcontact), meerdere weerstanden en een "stroom" of te wel de flux naar de bodem en/of vegetatie toe. In de literatuur wordt echter niet de weerstand (R_tot) gepubliceerd maar wordt meestal de depositie-snelheid (1/R_tot) genoemd. Deze grootheid heeft de eenheid [m/s], al wordt meestal [cm/sec] gebruikt voor de depositiesnelheid (Engels: Deposition Velocity, DV).
Het begrip depositie-snelheid verbergt variërende eigenschappen zoals a) het soort gewas, b) de soort bodem, c) gedrag van de huidmondjes, d) bladoppervlak, en e) turbulentie, diffusie en convectie naar het grensoppervlak. Het RIVM meet met drie COTAG-palen op basis van de gemeten luchtconcentratie en luchtsnelheid. Vervolgens schat het instituut met een model de depositiesnelheid op de betreffende meetlocatie.
Inmiddels zijn in de wetenschappelijke literatuur de nodige feitelijk vastgestelde metingen te vinden over depositiesnelheid. Om met de deur in huis te vallen, de range van getallen die ik tegenkom, beweegt zich tussen 0,6 tot 1,5 cm/seconden. In de Aerius-documentatie staat 1 cm/seconden. Ik ben nog bezig met de afronding van een uitvoerige literatuurstudie maar kom vooralsnog uit op een gemiddelde van ongeveer 0,85 cm/seconden. Ook de Nederlandse Aerius-kenners Gerard Cats en Sieward Nijhuis benoemden recent op Foodlog deze 1 cm per seconde als gangbare waarde. De onderzoeksvraag blijft wel of deze waarden representatief zijn als de ammoniakconcentratie ook hoog is zoals nabij een stal, en hoe het gewas en het weer nog van invloed zouden kunnen zijn. Onderstaande tabel komt uit een wetenschappelijk artikel:
Tabel 1 - Tabel uit de wetenschappelijke literatuur met depositie snelheden in centimeter per secondeEerste depositie-inschattingen via depositiesnelheid
Als we veronderstellen dat 1 cm/sec een mooie schatter is voor de depositiesnelheid en er van uit gaan dat de gemeten ammoniakconcentraties uit het vorige artikel correct zijn, dan kunnen we een eenvoudige tabel in Excel maken die a) de afstand tot de stal, b) de bijbehorende ammoniakconcentratie en c) de flux in g/m2/sec en d) de flux in kg/hectare/jaar vergelijkt. De som is eenvoudig: "vermenigvuldig de depositie-snelheid met de concentratie in de lucht". De onderstaande tabel laat zien hoe dit uitpakt.
Tabel 2 – Berekende stikstofdepositie in kilogram per hectare per jaar op basis van een kleine depositie snelheid van 0,83 m/sec (min) en een grotere depositie snelheid van 1,28 m/sec (max), ammoniak concentraties in functie van afstand komt ongeveer overeen met de praktijkmetingenIk heb een bevriende onderzoeker gevraagd om via de Aerius Calculator (en parallel ook met zijn eigen lokale OPS-versie) door te rekenen wat de depositie zou zijn volgens het model op kleine afstand van de stal. Volgens de Aerius Calculator is de depositie ongeveer 600 mol op 25 meter afstand. Dat is veel lager vergeleken bij de verwachte 6000 mol (85 kg) of hoger die uit bovenstaande tabel komt op basis van bekende depositiesnelheden.
Om die reden nodig ik de bureau’s en experts in Nederland die Aerius-berekeningen maken uit dit numerieke experiment nog eens te herhalen. Ik vermoed dat de Aerius Calculator een misrekening bevat die de lokale ammoniakconcentratie gemakkelijk met een factor 6 onderschat. Vermoedelijk zit het euvel in de emissie-module. Ik wil echter niet uitsluiten dat ik zelf ergens een logica- of rekenfout heb gemaakt. Omdat mijn constatering echter forse consequenties kan hebben, vraag ik deskundige critici mijn rekenwerk te checken en hun conclusies te delen.
Hoeveel stikstof wordt rond een stal opgenomen?
De werkelijke fluxen lijken door de hoge ammoniakconcentraties lokaal hoog te zijn. Rest daarom, de vraag te beantwoorden hoeveel van de stal-emissies door de boerderij en het omliggende land worden opgenomen?
Volgens de RIVM-website is dat antwoord dus 5% en wordt 95% tot een afstand van wel 250 kilometer verspreid. Ik heb aan die getallen inmiddels ook gemodelleerd en geconstateerd dat dat niet eenvoudig in een Excel-model te doen valt. De depositie-flux is immers in zowel de X- als Y-richting verschillend. Om het wel te kunnen is een 3D-model nodig waarmee we een wiskundige flux-integratie kunnen uitvoeren over het hele grondoppervlak. Daar heb ik mijn Gaussian Plume model De Heij (GP-De Heij) versie 2 voor ontwikkeld, waarover ik al vertelde in mijn eerdere tekst. In deze tweede versie heb ik ook verticale depositie-flux naar bodem en vegetatie opgenomen in het model.
Laten we eens kijken wat er uit deze berekeningen komt als we uitgaan van een stal met 120 koeien, een D (neutraal) voor de weerstabiliteitsklasse, een emissie-puntbron met een hoogte van 2 meter en een windsnelheid van 2 meter per seconde. In Figuur 2 staat de concentratie ammoniak in de lucht boven het grondniveau maar dit keer in het X-Y vlak (let op: de heatplot is afgebeeld op een logaritmische schaal voor de ammoniak concentratie), waarbij de lage concentraties voor het gemak afgerond zijn naar 0,1 ug/m3, een waarde die niet meer meetbaar is.
Figuur 2 Simulatie met GP-DeHeij versie 2 met depositiesnelheid in het model. Heat plot geeft de log10(ammoniakconcentratie) weer van boven in het X-Y vlak boven de grondMijn eenvoudige GP-De Heij is nog niet in staat om rekening te houden met het feit dat de wind uit verschillende richtingen kan komen en gebruikt derhalve een dominante windrichting. Mijn model is al evenmin in staat om te rekenen met verschillende grondtypen en veronderstelt daarom dat iedere grond eenzelfde soort 'ruwheid' heeft. Ook veronderstelt het dat de ammoniakconcentratie in de lucht en de depositiesnelheid een rechtevenredig verband hebben. Daar gaan overigens ook DEPAC en de nodige vakliteratuur van uit.
Zoals gezegd kan GP-De Heij over het hele oppervlak X-Y (in mijn rekenmodel van 0 meter tot 1000 meter in de X-richting en -250 meter tot 250 meter in Y-richting) een flux-integratie uitvoeren. Hierdoor krijg ik de cumulatieve depositie uitgedrukt in kg die ik als functie van de afstand van de stal geplot heb (Figuur 3) voor deze 40 hectare grond (400 meter bij 1000 meter).
Figuur 3: totale depositie als functie van stal afstand bij weerklasse D, windsnelheid 2 meter per seconde en een boerenerf van 40 hectare groot (400 x 1000 meter). De gebruikte depositie snelheid is 1 meter per seconde. Emissie is 12 kg per koe per jaar. De grafiek laat zien dat op een afstand van pakweg 1000 meter er dik 400 kg stikstof is opgenomen. De depositie is logischerwijze vooral hoog vlak bij de stal, en aan de randen is de depositie verwaarloosbaar klein. Nadrukkelijk wil ik opmerken dat dit model uitgaat van een emissie vanuit de stal als puntbron en een vereenvoudiging waarbij er geen enkele achtergrondconcentratie is of natte depositie. vierhonderd kilogram stikstof terug op het land dus van de oorspronkelijke 1440 kg stalemissie, dat is ongeveer 30% of te wel bijna 6x hoger dan wat RIVM op zijn website aangeeft (Figuur 1). Alleen als de depositiesnelheid in het model sterk verlaagd wordt naar een zeer onrealistische 0,03 cm/sec (wat dertig keer te laag is vergeleken met praktijkexperimenten) kan je tot een totale depositie op het boerenerf komen van maar enkele procenten van de emissie. Of veronderstellen dat er een hoge schoorsteen is, of dat er een grote warmte-inhoud in de emissies zit.
Hieronder tot slot ook een heatplot van de eerste OPS-berekening waarbij ook uitgegaan is van een stal met 120 koeien met eenzelfde emissie. Volgens OPS is het roodste puntje 600 mol per hectare per jaar; dat is echt veel en veel te laag.
Figuur 4: Een eerste OPS-berekening waarin de depositie in rood is weergegeven. Hoogste waarde is 600 mol per hectare per jaar (8,5 kg), in de simulatie heeft de stal 120 koeien extra wat overeenkomst met een emissie van 1440 kg. In tegenstelling tot eerdere figuren is de depositie-kleur lineair en niet logaritmischOverige aanwijzingen.
Waarom zou een modelletje van amateur De Heij aandacht verdienen? Dat is een terechte vraag. Toch zijn er goede redenen voor: a) soortgelijke GP-modellen worden al sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw gebruikt en een vorm hiervan zit ook in OPS, b) de massabalans klopt en moet altijd kloppen c) mijn GP-model voorspelt de concentratie in functie van afstand behoorlijk goed als je het vergelijkt met de concentratie-metingen in de praktijk, d) er is weinig discussie in de literatuur over de depositie snelheid van pakweg 1 centimeter per seconde.
En er is meer evidentie. Onderzoek van de UvA en ouder onderzoek van de WUR (Egbert Lantinga) hebben de directe opname met biomarkers gemeten. Daaruit blijkt dat gelijkenis tussen biomarkermetingen en de voorspellingen van het eenvoudige GP-De Heij aardig is. Wie verder in de literatuur duikt, vindt keer op keer bevestigingen van hoge lokale depositievolumes nabij de stal of emissiebron. Boeren zeggen keer op keer tegen mij persoonlijk "dichtbij de stal gaan soms plantjes dood, op wat meer afstand groeien ze als een tierelier". En ook onderzoeker Jaap Schröder heeft, zoals al gezegd, hoge stikstofopnames tot wel 100 kg geconstateerd bij de blanco's van zijn onderzoeksveldjes.
Ook is er het onderzoek van marien ecoloog en prof. em. Han Lindeboom. Hij promoveerde in 1979 op fundamenteel onderzoek over de stikstofcyclus, waarvoor hij uitvoerig onderzoek had gedaan tussen de pinguïns op Marioneiland, tussen Zuid-Afrika en de Zuidpool. Door hun gecombineerde poep-urine afscheiding produceren ze veel stikstof die via microbiële afbraak grotendeels als ammoniak de lucht in gaat. Lindeboom deed metingen en constateerde: "Via de regen komt deze stikstof neer naast de kolonie aan de benedenwindse kant. Daar groeit veel gras maar het is maar tot ongeveer 500 meter vanaf de kolonie, zodra je duizend meter verder bent heb je weer de normale vegetatie."
Is Aerius dan toch niet zo goed?
Ik voer al jaren onderzoek uit naar het stikstof- en fosfaatdossier maar sinds enkele maanden vrijwel elke dag. Maak ik fouten? Vast! Juist daarom steek ik mijn hand uit naar andere onderzoekers die samen met mij willen rekenen in OPS. Zelf vertrouw ik vooral de praktijkmetingen zoals deze in de literatuur te vinden zijn. De concentratie direct rondom een stal is hoog, veel hoger (pakweg 10 keer) dan de achtergrondconcentratie. De afname van deze concentratie tot de achtergrondconcentratie is een fenomeen dat zich duidelijk afspeelt over de eerste 250 à 500 meter, en dus het gros van de depositie ook, is mijn eenvoudige hypothese. Wat voorspelt OPS voor de lokalesituatie op vergelijkbare afstanden, is en blijft dus een cruciale vraag.
Ik heb geen enkele aanwijzing dat de gerapporteerde deposition velocity's in de literatuur verkeerd zijn, daar zoek ik het antwoord dus in eerste instantie nog niet. Daarom zeg ik tegen alle Aerius-modelleurs: "als je aanneemt dat de depositie evenredig is met de concentratie en als je aanneemt dat de deposition velocity rond de 0,8 en 1,3 cm/sec is, hoe ziet jullie voorspelling er dan uit in de eerste 500 meter?"
De eerste simulatie-resultaten heb ik ondertussen al gezien, maar nu is het tijd voor checks en double checks. Ik blijf op basis van mijn kennis tot nu toe voorzichtig maar durf wel steeds nadrukkelijker de hypothese in stelling te brengen dat OPS de ammoniakconcentratie en daarmee de depositie in de eerste 500 meter onderschat. Dat betekent automatisch dat OPS een overschatting geeft op kilometerschaal van beide grootheden. Een logische consequentie hiervan is dat pakweg 40% tot 75% van de emissies 'op het boerenland' terecht komt en niet de 4-5% die het RIVM al jaren presenteert.
Wie wil deze hypothese met mij gaan debunken of juist bevestigen?
Nog 3
Je hebt 0 van de 3 kado-artikelen gelezen.
Op 3 augustus krijg je nieuwe kado-artikelen.
Op 3 augustus krijg je nieuwe kado-artikelen.
Als betalend lid lees je zoveel artikelen als je wilt, én je steunt Foodlog
Lees ook
_002_480_289_84_s_c1.jpg)
Wouter weer een goed stuk met interessante vragen. Ik ben helaas niet in staat om jou van antwoorden te voorzien.
Ik heb nog wel een vraag. Harmen Endendijk van de NMV schreef gisteren in een column het volgende uit zijn scheikunde lessen van vroeger” Meest in het oog springend was wel de reactie van het potente ammoniak(NH3) met andere gassen en dan met name de stikstofoxiden (NOx). En wat blijkt? De scheikunde toont ons dan dat de combinatie van ammoniak met stikstofoxiden reageert tot water (H2O) en onschuldig elementair stikstof (N2) dus de stikstof waaruit 80 procent van onze lucht bestaat. Ammoniak is daarmee een luchtreiniger.
Worden dit soort elementen voldoende meegenomen in Aerius en moet Aerius daarom rond rekenen? Een deel verdwijnt .