Masterthesis over stikstofdepositie door vliegtuigen

Wie, waar en waarover?
De Delftse student Marijn van Loo heeft zijn masterthesis geschreven over stikstofdepositie door de luchtvaart. Zijn motivatie was dat er al veel gestudeerd was op de luchtvaarteffecten van klimaat, geluid en luchtkwaliteit, maar dat een passende recente studie van de stikstofdepositie ontbrak. En voor zover er regelgeving is, is die lokaal terwijl de luchtvaart per definitie mondiaal is.

Zijn thesis is afgerond op 21 september 2021 (hoewel het voorwoord al in juli ondertekend is), maar er zat embargo op het verschijnen tot 21 juni 2022. Een merkwaardige vertraging.

De ‘abstract’ van de studie is te vinden op abstract stikstofdepositiestudie luchtvaart M van Loo . Onder aan de abstract staat in kleine lettertjes dat hij daar te downloaden is.  

Met ‘stikstofdepositie’ wordt bedoeld reactieve stikstof (oxides, ammoniak en in de atmosfeer gevormde reactieproducten daarvan) die vanuit de atmosfeer op de grond neerdalen. In sommige delen van de wereld leidt dat tot een overdaad aan stikstofbemesting. Aangezien dat in deze dagen (en elders op deze site) al voldoende aan de orde komt, wordt er hier nu niet verder op in gegaan.

Stikstof kan ‘dry’ en ‘wet’ gedeponeerd worden. Zoals de termen doen vermoeden, is ‘dry’ zonder dat er neerslag aan te pas komt (in de gasvorm of als secundaire deeltjes als ammoniumnitraat), en is ‘wet’ als de stikstof vergezeld gaat van water (bijvoorbeeld omdat een druppel zich vormt om een deeltje of omdat een vallende druppel een deeltje opneemt).

Behalve een onderscheid naar ‘dry’ en ‘wet’ maakt Van Loo ook onderscheid naar lokaal versus mondiaal en LTO versus non-LTO (LTO betekent Landing and Take Off), en naar de ondergrond waarop de depositie terecht komt.

Het GEOS-Chem model
De kern van de thesis is het gebruik van het GEOS-Chem model dat in het algemeen het transport van chemische stoffen in de atmosfeer berekent, en nu dus specifiek wordt toegepast op stikstofdepositie.
Van Loo koos twee grid-resoluties, de aardbol in 4*5 graad en idem in 2*2,5 graad.
De vertikale as werd verdeeld in stappen van 125m, reden waarom de ICAO-rekenlimiet van 3000 voet (ruim 900m) werd afgerond op 1 km. Deze 3000 voet is de officlële afkapgrens in Nederlandse stikstofberekeningen.

GEOS-Chem is een ingewikkeld model. In de grove resolutie had de supercomputer Cartesius er 65 uur voor nodig om het probleem te kraken, en in de fijnere mode 360 uur (meer dan 4* zoveel omat de supercomputer na drie dagen afslaat en handmatig weer aangezet moet worden).
Dit is eerst uitgevoerd voor scenario 2, zijnde de achtergronddepositie plus de vliegtuigdepositie LTO plus de vliegtuigdepositie non-LTO.
Vervolgens zijn er ook twee runs uitgevoerd voor scenario 1 (achtergrond zonder vliegtuigdepositie), twee runs voor scenario 3 (achtergrond met LTO-depositie) en één run voor scenario 4 (achtergrond met non-LTO – de tweede run bleek overbodig).

Uiteindelijk levert het onderstaande tabel voor scenario 2.

In deze tabel betekent Tg N yr-1 Tg (dat is een miljard kg = 1 Mton) stikstof, omgerekend naar elementbasis, per jaar en dat over de hele wereld opgeteld.

Slordigheden en een zwakte
De studie bevat enkele slordigheden die eigenlijk in Delft niet zouden mogen passeren.

  • NO3 en NH4 bestaan niet als moleculen. Bedoeld zal wel zijn de ionen NO3 en NH4+ .
  • Bij sommige verdeelplaatje staat op de vertikale as kg N m-2 y-1 staan. Dat moet ongetwijfeld kg N km-2 y-1 zijn . Klein foutje.
  • De grafieken 5.1 en 5.4, die de verdeling van de dry, wet en totale depositie over het jaar aangeven, zijn slordig. Zo te zien klopt de totale lijn, maar tellen dry en wet niet op tot totaal.
  • Men kan niet duidelijk zien met welke data het model gevoed is.
    Van Loo geeft in hoofdstuk 2 een algemene beschouwing over de stikstofkringloop en de gevolgen van depositie, maar maakt niet duidelijk hoe deze beschouwing omgebouwd wordt tot input van het model. Slechts een deel van de stikstofkringloop speelt zich in de atmosfeer af.
    De meteorologische input (blz 12) komt van NASA/GMO, en de anthropogene stikstofinput komt van CEDS en enkele regionale databanken –  aldus de literatuurlijst.
    Onduidelijk is welke natuurlijke input gebruikt is (bijvoorbeeld bliksems en uit bemest akkerland ontwijkend lachgas en stikstof uit zee). In de tekst van Van Loo sprokkelend kom ik op respectievelijk 5 + 5 + onbekend in Tg N/y,
    Waarschijnlijk zijn de natuurlijke stikstofbronnen in de atmosfeer relatief klein t.o.v. de totale bovengenoemde 115 Tg N/y, maar dat had wel geëxpliciteerd mogen worden.
    Waarschijnlijk zijn de uitkomsten van het model grofweg juist, maar bepaald niet precies genoeg voor twee cijfers achter de komma (en ook niet voor het cijfer voor de komma).

Daarnaast is er een zwakte waar Van Loo weinig aan doen kan, namelijk dat het meest recente materiaalpakket uit 2005 dateert.

De resultaten
Uiteindelijk levert het dagenlange computergeploeter een vliegtuigdepositietabel op en verdelingsplaatjes. Zie hieronder.

De tabel geeft de depositie door vliegtuigen van LTO en non-LTO samen.

Het bovenste plaatje geeft de totale depositie uit alle bronnen, omgerekend naar elementbasis N, in kg per km2  per jaar.
Het onderste plaatje geeft de depositie door vliegtuigen van LTO en non-LTO samen, weer omgerekend naar elementbasis N, in kg per km2  per jaar.

In Nederland is de Mol per hectare gebruikelijk.  1 kg N/km2 komt overeen met 0,71 Mol/hectare .

Slotsom is dat de luchtvaart over het jaar 2005, gerekend over de gehele aarde, 0,80Tg stikstof deponeerde op een totaal over alle bronnen van 115Tg. Jaar- en aarde gemiddeld was de luchtvaart in 2005 dus goed voor 0,71% van de emissies. Dit voor ongeveer een kwart als ‘dry’ en ongeveer driekwart als ‘wet’ depositie.

Uit de studie blijkt verder (maar in dit artikel  is dat niet verder uitgewerkt) dat GEOS-Chen er slecht in is om dry deposition te modelleren. Waarom  dat zo is, weet men niet. Wet deposition modelleren gaat goed. Weer een reden om de resultaten met een korreltje fijn stof te nemen.

Metingen
Er zijn metingen van wet deposition in Noord-Amerika, Europa en Azië, en metingen van dry  deposition in de VS (en een paar in Canada).
Voor wet deposition klopt het redelijk. Voor dry deposition zeer matig.

LTO- en non-LTO depositie
Met scenario 3 en 4 heeft Van Loo een indicatie kunnen geven van hoe de vliegtuigdepositie verdeeld is tussen de LTO-fase en de non-LTOfase.

Mondiaal opgeteld is de LTO-fase goed voor 7,7% van de vliegtuigdepositie en de non-LTO-fase goed voor 92,3%.
Dit kan echter van regio tot regio sterk verschillen. In de Sahara stijgen nu eenmaal weinig vliegtuigen op, terwijl er toch stikstof overheen waait. De verhouding zit daar een eind onder de 7%.
In een gebied met veel en drukke vliegvelden dalen en vooral stijgen veel vliegtuigen en kan de verhouding een eind boven de 7% liggen.

(Onderstaande twee alinea’s zijn in de nu voorliggende tweede versie gewijzigd t.o.v. de eerste versie)
Als met het origineel van dit kaartje sterk vergroot, zijn Parijs en Londen te zien als 30% en Schiphol en Eindhoven ergens rond de 25% . Met andere woorden: in West-Europa is de non-LTO en de LTO-depositie bij elkaar van alle vliegbewegingen samen ongeveer 4* zo groot als de LTO-depositie alleen van alle vliegbewegingen samen.
Voor één individuele vliegbeweging ligt de verhouding (non-LTO+LTO)/LTO anders, maar dat staat niet in het rapport. Uit andere bronnen komt dat vaak op 8 a 10, afhankelijk van de specificaties van de vlucht.

Figuur 5.2 geeft een indicatie van een soort gemiddelde achtergrond, voor zover dat met deze pixelgrootte en bij deze subtiele kleurschakeringen te zien is. De diffuse depositie door het gezamenlijke Europese vliegverkeer boven Nederland zit ergens rond de 8 kg N km-2 y-1 zijn, dus ergens rond de 6 Mol per hectare per jaar.
Lokale effecten op microniveau rond afzonderlijke vliegvelden zijn bij deze pixelgrootte niet te zien. Die claim wijst het rapport nadrukkelijk af.

Enkele kanttekeningen

  • Het gebruikte statistische materiaal dateert uit 2005. Tussen 2005 en 2020 is de mondiale luchtvaart met een factor 2,2 gegroeid in reizigerskilometers (zie grafiek hieronder, auteur de ICAO) en is, minstens op papier, de stikstofdepositie uit andere bronnen door beleid verminderd. Met zekerheid vormt het luchtverkeer, over de aarde opgeteld, nu ruim het dubbele deel van de totale depositie dan de 0,71% uit 2005. Zeg, ergens rond de 1,5%.
  • De stikstofdepositie van een Nederlands vliegveld heeft niet zozeer een probleem met hoeveel de absolute waarde is, maar met dat het hoger is dan wat het mag zijn. En vooral als er geen Natuurvergunning is, telt elke gram
  • De studie van Van Loo leent zich er niet voor om op detailniveau van bijvoorbeeld Schiphol of Eindhoven Airport te rekenen. Dat moet echt met harde, lokale gegevens
  • De landbouw zou baat hebben bij een reductie van de activiteiten op Schiphol, maar niet zoveel als men zich wellicht zou wensen
  • Remkes. Zie hieronder.

Remkes
Zie https://www.bjmgerard.nl/stikstofadvies-remkes-bemoeilijkt-groei-luchtvaart-geen-onmiddellijke-consequenties-voor-eindhoven/ .

In zijn advies ‘Stikstof en Luchtvaart’ dd januari 2020 noemt Remkes, op gezag van TNO en RIVM, cijfers over de stikstofdepositie in Nederland door de luchtvaart.
Hij stelt dat de stikstofdepositie door de luchtvaart van onder de 3000 voet (dat is 914m) 4,1 Mol per hectare per jaar is, en van boven de 3000 voet 8 tot 15 Mol per hectare per jaar. Samen 12 tot 19 Mol per hectare per jaar.
De luchtvaart is bij Remkes goed voor 1% van de totale stikstofdepositie.

Als men de door Van Loo grof geschatte 6 Mol per hectare per jaar vermenigvuldigt met de groei van het vliegverkeer sindsdien (factot 2,2), dan komt men op rond de 13 Mol per hectare per jaar en dat past heel aardig bij Remkes.
Dat Van Loo, ma toepassing van de groeifactor, op 1,5% komt (vliegtuigdepositie t.o.v. totale N-depositie) en Remkes op 1% kan ook vrij aardig kloppen, omdat Nederland per km2 in Europa veruit het meeste stikstof uitstoot uit andere bronnen, vooral de landbouw.

Van Loo en Remkes komen dus heel aardig overeen.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.