Stikstofdepositie: een kwestie van meten en rekenen

De auteurs

Onderzoekers zijn voortdurend op zoek naar de beste manier om de stikstofdepositie in ons land te bepalen. Hoe rekenen zij en wat meten zij? Wat is de modelaanpak en het meetinstrumentarium dat gebruikt wordt voor de beleidsonderbouwing?

Het meten en berekenen van stikstofdepositie op verschillende schalen is complex vanwege de sterke variatie, die afhankelijk is van vele factoren. Doel is dat de cijfers de stikstofwerkelijkheid zo goed en wetenschappelijk verantwoord mogelijk weergeven. Beleidsmakers gebruiken de cijfers immers bij het maken van beleid voor stikstofreductie en er zijn grote belangen mee gemoeid. Deze cijfers worden berekend door het RIVM in samenwerkingmet andere instituten. Hier volgt een inkijkje in de totstandkoming van de stikstof – depositiekaart van Nederland en het onderzoek dat hiervoor nodig is.

Stikstofdepositie in beeld

De Nederlandse stikstofdepositie in kaart brengen is minder makkelijk dan het wellicht lijkt. Ze bestaat uit natte en droge depositie. Vooral de droge depositie is niet eenvoudig te meten. Het is praktisch en financieel niet mogelijk om heel Nederland vol te hangen met meetapparatuur. Daarom zijn (inter)nationale modellen ontwikkeld om de depositie te berekenen. In Nederland wordt hiervoor het door RIVM ontwikkelde Operationele Prioritaire Stoffen (OPS)-model gebruikt. Er wordt veel onderzoek gedaan naar de metingen en de procesbeschrijvingen die nodig zijn voor een goede berekening van de stikstofdepositie. De modelberekeningen worden zo goed mogelijk gecombineerd met beschikbare metingen van de stikstofcomponenten uit verschillende meetnetten, om een compleet beeld van de stikstofdepositie te krijgen.

Modelberekeningen

Simpel gezegd wordt de droge stikstofdepositie berekend uit stikstofconcentraties in de lucht en depositiesnelheden. De concentraties worden berekend uit emissiegegevens en meteorologische gegevens. Depositiesnelheden worden vooral gemeten in intensieve meetcampagnes en vervolgens vertaald naar modelbeschrijvingen om de depositie ook op andere plekken te kunnen berekenen. Voor het berekenen van de depositiesnelheden worden de eigenschappen van het gas of de aerosolen gebruikt en gegevens over het oppervlak, zoals het landgebruik, de hoogte van de vegetatie, of de huidmondjes van planten openstaan en of de vegetatie vochtig is. De natte depositie wordt berekend door luchtconcentraties te vermenigvuldigen met de intensiteit van de neerslag en met specifieke coëfficiënten die de opname van stoffen in regendruppels bepalen. Om te controleren of de modellen op de juiste waarden uitkomen, worden de berekende concentraties en deposities vergeleken met metingen en waar nodig bijgesteld. Het RIVM beheert daartoe een aantal meetnetten. De meetstations van elk netwerk zijn zoveel mogelijk verspreid over het land om een representatief beeld voor heel Nederland te kunnen geven.

Metingen van stikstofoxiden op 73 plekken

De concentraties stikstofoxiden (NO en NO2) in de lucht worden elk uur op 73 plekken met geavanceerde apparatuur gemeten binnen het Landelijk Meetnet Luchtkwaliteit (LML) en in de regionale meetnetten (DCMR in het Rijnmondgebied en GGD Amsterdam). Die meetpunten zijn in dit aantal meegenomen. Binnen het LML meten regenvangers op acht locaties hoeveel nitraat er in het regenwater zit. Daarmee wordt de natte depositie van stikstof bepaald. De regenvangers zijn voorzien van een deksel dat alleen opengaat wanneer het regent. Dat voorkomt enerzijds dat de opgevangen neerslag verdampt, anderzijds dat er droge depositie in de opgevangen neerslag terechtkomt. De droge depositie van stikstofoxiden wordt momenteel niet permanent gemeten.

Metingen van ammoniak op 300 plekken

Binnen het Meetnet Ammoniak in Natuurgebieden (MAN) worden door het RIVM met meetbuisjes de maandgemiddelde concentraties ammoniak op meer dan driehonderd plekken in Nederland gemeten. De meetbuisjes bevinden zich in ruim tachtig Natura 2000-gebieden, natuurgebieden met een Europese beschermde status. Daarnaast registreert geavanceerde apparatuur elk uur de ammoniakconcentratie op zes locaties in het LML. Daarmee worden de meetbuisjes van het MAN geijkt zodat ze een betrouwbaar beeld geven. De regenvangers binnen het LML meten ook de natte depositie van ammoniak (in de vorm van ammonium, NH4). De droge depositie van ammoniak wordt maandelijks met relatief eenvoudige apparatuur gemonitord
op drie locaties, die zich allemaal in Natura 2000-gebieden bevinden. Dit zal uitgebreid worden naar tien locaties.

Extra meetcampagnes voor de droge depositie

Naast de bovengenoemde continue metingen houdt het RIVM samen met ECN/TNO regelmatig meetcampagnes. Daarin wordt met geavanceerde apparatuur de droge depositie van ammoniak en stikstofoxiden per uur gemeten. Met deze metingen kunnen de modelbeschrijvingen van het droge depositieproces verbeterd worden. Dit soort metingen zijn gevoelig voor verstoringen in de instrumenten, waardoor ze arbeidsintensief zijn en daardoor ook vrij duur. Door de jaren heen is er gemeten boven bos, heide, gras, mais en duinvegetatie.

Het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem-Dynamica van de Universiteit van Amsterdam meet sinds begin 2020 de stikstofdepositie bij twee boerderijen. Het doel van dit onderzoek is om emissie en depositiepatronen van ammoniak rondom twee melkveestallen in kaart te brengen, zowel ruimtelijk als door de tijd heen. Hiervoor worden zogeheten biomonitors gebruikt. Daarmee wordt in kaart gebracht welk deel van de uitgestoten ammoniak lokaal neerslaat. De aanname hierbij is dat potten met Engels raaigras zonder bemesting op verschillende afstanden van het bedrijf na een maand in de open lucht te zijn geplaatst, een beeld geven van de depositie van ammoniak.

Fig 1. Landelijk beeld van de stikstofdioxideconcentraties (links) en ammoniakconcentraties (rechts) in Nederland, zoals bepaald met modellen en grondmetingen (Bron data: RIVM, 2020).

Fig 2. Landelijk beeld van de stikstofdepositiekaart in Nederland, zoals bepaald met modellen en grondmetingen. (Bron data: RIVM, 2019)

Landelijke beelden en satellietmetingen

Landelijke beelden van de concentratiekaarten voor stikstofdioxide en ammoniak en de stikstofdepositiekaart zijn weergegeven in respectievelijk figuur 1 en 2. Deze kaarten zijn tot stand gekomen door de modelberekeningen te combineren met de beschikbare metingen. In de kaarten zijn duidelijk de brongebieden terug te vinden: snelwegen en steden voor stikstofoxiden en landbouwgebieden voor ammoniak. Ook de gebieden met een ruw oppervlak zie je erop terug, zoals steden en bossen. Dat komt doordat een ruwer oppervlak meer luchtwervelingen (turbulentie) veroorzaakt, waardoor er meer stikstof neerslaat. Sinds enkele jaren meten ook apparaten aan boord van satellieten de concentraties van stikstofoxiden en ammoniak in de kolom lucht boven het aardoppervlak.

Fig 3. NO2- en NH3-kolomconcentraties, zoals gemeten door Tropomi in 2019 respectievelijk CrIS in 2017. (Bron data Tropomi: KNMI, ESA, bron data CrIS: TNO, Environment and Climate Change Canada)

Het meetinstrument Tropomi doet dat op een schaal van ongeveer 5 bij 5 km (figuur 3), andere instrumenten zoals CrIS en IASI op een schaal van 14 bij 14 km. Deze waarnemingen kunnen worden gebruikt om de modelberekeningen te toetsen en om de satellietwaarnemingen te integreren met modellen. Het voordeel van satellieten is dat je in één keer een beeld van de stikstofconcentraties in heel Nederland krijgt, althans op wolkeloze dagen.