ไนตรัสออกไซด์: ก๊าซที่ปล่อยออกมาจากภาคเกษตรเพิ่มภาวะเรือนกระจก

ไนตรัสออกไซด์ที่ปล่อยออกมาในปริมาณมากจากภาคการเกษตรยังทำลายชั้นโอโซนอีกด้วย

ไนตรัสออกไซด์

ภาพถ่าย-Rabe ภาพโดย Pixabay

ไนตรัสออกไซด์เป็นก๊าซไม่มีสีและไม่ติดไฟที่อุณหภูมิห้อง และเป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นก๊าซหัวเราะหรือไนโตร (NOS) ไนตรัสออกไซด์เป็นก๊าซที่ผลิตขึ้นตามธรรมชาติในสิ่งแวดล้อมและมีความสำคัญต่อความสมดุลของสภาพอากาศ อย่างไรก็ตาม ก๊าซไนตรัสออกไซด์ยังสามารถผลิตได้ในเชิงอุตสาหกรรมเพื่อการใช้งานที่หลากหลาย ไนโตรเจนเป็นอะตอมที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งสำหรับสิ่งมีชีวิตบนบกและมีอยู่ในโครงสร้างโมเลกุลหลายแบบ ธาตุไนโตรเจน (N) ก็เป็นส่วนสำคัญของบรรยากาศและวัฏจักรทางธรรมชาติ เช่น วัฏจักรไนโตรเจน

ไนตรัสออกไซด์ (N2O)

เกิดขึ้นจากไนโตรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 ตัว ไนตรัสออกไซด์ ใช้ในอุตสาหกรรมดังนี้

  • สารออกซิไดซ์ในเครื่องยนต์จรวด
  • เครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ (ไนโตร);
  • สารขับดันละอองลอย
  • ยาชา (ส่วนใหญ่อยู่ในสาขาทันตกรรมที่เรียกว่าแก๊สหัวเราะ)

ในธรรมชาติ พืชจับไนโตรเจนในบรรยากาศและแปลงเป็นแอมโมเนีย ซึ่งจะสะสมในดินและพืชนำไปใช้ในภายหลัง กระบวนการนี้เรียกว่าการตรึงไนโตรเจน แอมโมเนียที่สะสมอยู่ในดินสามารถผ่านกระบวนการไนตริฟิเคชั่น ส่งผลให้เกิดไนเตรต จุลินทรีย์ที่มีอยู่ในดินสามารถเปลี่ยนไนเตรตที่ฝากไว้เหล่านี้ให้เป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) และไนตรัสออกไซด์ (N2O) ผ่านกระบวนการดีไนตริฟิเคชั่น จึงปล่อยพวกมันสู่บรรยากาศ

ก๊าซเรือนกระจก

ก๊าซต่อไปนี้ถือเป็นก๊าซที่มีส่วนทำให้ปรากฏการณ์เรือนกระจกเพิ่มขึ้นมากที่สุด:

  • คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2);
  • ไอน้ำ (H2Ov);
  • มีเทน (CH4);
  • ไนตรัสออกไซด์ (N2O);
  • CFC (CFxCly)

มีการกล่าวถึง CO2 เป็นจำนวนมากเนื่องจากมีความเข้มข้นสูงในบรรยากาศและส่งผลกระทบต่อภาวะโลกร้อนมากขึ้น แต่การปล่อยก๊าซอื่น ๆ ที่ระบุไว้ก็น่าเป็นห่วงเช่นกัน ความเข้มข้นของไนตรัสออกไซด์ในชั้นบรรยากาศกลายเป็นเรื่องน่าวิตกมากขึ้น ทำให้ต้องดำเนินการเพื่อลดการปล่อยก๊าซ

ผลกระทบของไนตรัสออกไซด์ที่มากเกินไปต่อบรรยากาศ

เช่นเดียวกับทุกสิ่งในธรรมชาติ บางสิ่งที่มากเกินไปสามารถเปลี่ยนความสมดุลและความเสถียรของระบบ หรือแม้แต่โลกโดยรวม ก๊าซส่วนเกิน เช่น ก๊าซที่พิจารณาแล้วว่าอาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก เป็นตัวอย่างของผลกระทบของสัดส่วนทั่วโลก

อุตสาหกรรมและการรวมกลุ่มของอารยธรรมในเมืองต่างๆ ได้ก่อให้เกิดความต้องการที่จะตอบสนองในวงกว้าง เช่น การผลิตอาหาร การส่งเสริมการเติบโตอย่างมากในด้านการเกษตร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตเมล็ดพืชสำหรับการผลิตอาหารสัตว์ (เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้ใน บทความ: การเลี้ยงสัตว์แบบเร่งรัดเพื่อการบริโภคเนื้อสัตว์มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของผู้บริโภค" เมื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ ก๊าซจำนวนมากก็เริ่มถูกผลิตและปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศในขนาดมหึมา ทำให้เกิดการสะสมในบรรยากาศและเปลี่ยนแปลงวัฏจักรภาคพื้นดินหลายรอบ และยังส่งผลกระทบต่ออุณหภูมิเฉลี่ยของโลกอีกด้วย หนึ่งในก๊าซเหล่านี้คือไนตรัสออกไซด์

ไนตรัสออกไซด์ (N2O) มีอยู่ในสัดส่วนที่เล็กกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) มาก แต่ผลของไนตรัสนั้นยิ่งใหญ่กว่ามาก การปรากฏตัวของมันในโทรโพสเฟียร์นั้นเฉื่อยซึ่งมีส่วนในการดูดซับพลังงานความร้อนเท่านั้น แต่เมื่ออยู่ในสตราโตสเฟียร์มันจะลดชั้นโอโซน ไนตรัสออกไซด์มีคุณสมบัติในการกักเก็บความร้อนในบรรยากาศได้มากกว่า CO2 ประมาณ 300 เท่า กล่าวคือ ไนตรัสออกไซด์ 1 โมเลกุล เทียบเท่ากับ 300 โมเลกุลของ CO2 ในบรรยากาศ ไนตรัสออกไซด์ยังมีผลกระทบต่อชั้นโอโซน ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ และยังคงอยู่ในบรรยากาศนานกว่า 100 ปีก่อนที่จะถูกย่อยสลายตามธรรมชาติ คาดว่ามนุษย์จะปล่อยไนตรัสออกไซด์ 5.3 เทรากรัม (Tg) ในหนึ่งปี (1 Tg เท่ากับ 1 พันล้านกิโลกรัม)

แหล่งที่มาของการปล่อยมลพิษ

ในเดือนพฤศจิกายน 2556 โครงการสิ่งแวดล้อมแห่งสหประชาชาติ (UNEP) ได้ตีพิมพ์รายงานเกี่ยวกับไนตรัสออกไซด์และผลกระทบต่อสภาพอากาศและชั้นโอโซนของโลก ตามรายงาน ไนตรัสออกไซด์เป็นก๊าซลำดับที่สาม ที่ปล่อยออกมาจากกิจกรรมของมนุษย์ ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดภาวะโลกร้อนมากที่สุด และเป็นก๊าซที่มีผลกระทบมากที่สุดต่อการเสื่อมสภาพของชั้นโอโซน จากการวิจัยที่ดำเนินการ วิเคราะห์ความเข้มข้นของก๊าซที่มีอยู่ในฟองอากาศที่ติดอยู่ในคอลัมน์น้ำแข็งที่เสา เปรียบเทียบกับความเข้มข้นปัจจุบันของ CO2 (ส่วนต่อล้าน - ppm) และ N2O (ส่วนต่อพันล้านส่วน - ppb) และ กราฟแสดงการเพิ่มขึ้นของก๊าซเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไป

ไนตรัสออกไซด์

ที่มา: Drawing Down N2O / unep.org

ความเข้มข้นของ CO2 และ N2O ที่เพิ่มขึ้นอย่างมากสามารถเห็นได้ทันทีหลังช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม ตั้งแต่ศตวรรษที่ 18 เป็นต้นไป รายงานชี้ให้เห็นแหล่งที่มาหลักของการปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์ของมนุษย์ เช่น เกษตรกรรม อุตสาหกรรมและเชื้อเพลิงฟอสซิล การเผาไหม้ชีวมวล น้ำเสีย และการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ และผลรวมของแหล่งที่มาสามแหล่งสุดท้ายไม่ถึงปริมาณการปล่อยไนตรัสออกไซด์จากการเกษตร

การปล่อย N2O

ที่มา: Drawing Down N2O / unep.org

ปัญหาการปล่อย N2O ในแต่ละภาคส่วน

เกษตรกรรม

ไนโตรเจนจำเป็นสำหรับการผลิตอาหาร เป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับโครงสร้างโมเลกุล เช่น เอนไซม์ วิตามิน กรดอะมิโน และแม้แต่ดีเอ็นเอ การเติมไนโตรเจนในการเกษตรโดยใช้ปุ๋ยช่วยเร่งและเพิ่มผลผลิตของพืช อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้เกิดการปล่อย N2O เช่นกัน คาดว่าประมาณ 1% ของไนโตรเจนที่ใช้กับดินจะปล่อย N2O โดยตรง 1% ดูเหมือนต่ำ แต่ถ้าคุณคิดถึงพื้นที่ทั้งหมดที่เกษตรกรรมครอบครองในโลกและปริมาณปุ๋ยที่ใช้ในแต่ละปี มันอาจจะไม่ได้เล็กขนาดนั้น

ในบรรดาภาคส่วนที่ปล่อยไนตรัสออกไซด์มากที่สุด เกษตรกรรมเป็นความรับผิดชอบหลักสำหรับการปล่อยก๊าซประจำปี: ประมาณ 66% ของการปล่อยทั้งหมด สำหรับภาคส่วนนี้ ไม่เพียงแต่คำนึงถึงการปล่อย N2O โดยตรงจากการใช้ปุ๋ยเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการปล่อยมลพิษทางตรงและทางอ้อมจากกระบวนการผลิตปุ๋ยสังเคราะห์ มูลสัตว์ สัตว์ที่เลี้ยงในทุ่งหญ้า การชะล้าง และการจัดการมูลสัตว์

มาตรการบางประการในการใส่และจัดการปุ๋ยและปุ๋ยคอกสามารถช่วยลดผลกระทบนี้ได้:

  • ทดสอบกลไกการจ่ายปุ๋ย/ปุ๋ยอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าการใช้ปุ๋ยถูกต้อง
  • ตรวจสอบให้แน่ใจว่าผู้ใส่ปุ๋ย/ปุ๋ยคอกได้รับการฝึกฝนมาอย่างดีให้ใช้เพียงเล็กน้อยเท่าที่จำเป็น
  • ดำเนินการวิเคราะห์ดินเพื่อกำหนดปริมาณปุ๋ยที่ต้องการ
  • พยายามใช้ปุ๋ยคอกมากกว่าปุ๋ยอนินทรีย์
  • การปรับปรุงเทคนิคการจัดการมูลสัตว์

การวิจัยเพื่อลดการปล่อย N2O ด้วยปุ๋ยและวิธีการทางเลือกที่มีประสิทธิภาพจะต้องดำเนินการอย่างต่อเนื่อง

อุตสาหกรรมและเชื้อเพลิงฟอสซิล

การปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์จากอุตสาหกรรมและยานยนต์เกิดขึ้นได้จากสองวิธีหลัก อย่างแรกเรียกว่าปฏิกิริยาเอกพันธ์ ซึ่งก็คือเมื่อสารตั้งต้นในสถานะทางกายภาพเดียวกันทำปฏิกิริยา ตัวอย่างคือการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่เป็นก๊าซ (แก๊สที่มีแก๊ส) ในเชื้อเพลิงก๊าซอาจมีสารประกอบไนโตรเจนซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่างการให้ความร้อนในกระบวนการเผาไหม้ ตัวกลางที่สองเกิดขึ้นในปฏิกิริยาต่างกัน โดยที่ตัวหนึ่งสามารถเป็นก๊าซและอีกตัวหนึ่งเป็นของแข็งได้ ตัวอย่างเช่น การเผาไหม้ของถ่านหินหรือการก่อตัวของ N2O ในตัวเร่งปฏิกิริยารถยนต์

เครื่องบิน ยานพาหนะที่เบาและหนักเป็นแหล่งกำเนิดหลักของการปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์ แม้ว่าจะไม่ได้เกี่ยวข้องมากนักเมื่อเทียบกับการปล่อย CO2 ที่ปล่อยออกมาก็ตาม นี่ไม่ใช่ข้ออ้างที่จะไม่เป็นความจริงที่น่าเป็นห่วง

ในอุตสาหกรรม แหล่งที่มาหลักของการปล่อยไนตรัสออกไซด์สองแหล่งคือการผลิตกรดไนตริก (HNO3) และกรดอะดิปิก กรดไนตริกถือเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับการผลิตปุ๋ย สำหรับการผลิตกรดอะดิปิก วัตถุระเบิด และสำหรับการแปรรูปโลหะเหล็ก มากกว่า 80% ของกรดไนตริกทั้งหมดที่ผลิตในโลกไปในการผลิตแอมโมเนียมไนเตรตและแคลเซียมแอมโมเนียมไนเตรตเกลือคู่ - 3/4 ของแอมโมเนียมไนเตรตกลับไปการผลิตปุ๋ย ในระหว่างการสังเคราะห์ HNO3 นั้น N2O สามารถถูกสร้างเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาเล็กน้อย (ประมาณ 5 กรัมของ N2O ต่อทุกๆ 1 กิโลกรัมของ HNO3 ที่ผลิต)

การผลิตกรดอะดิปิก (C6H10O4) เป็นแหล่งปล่อยไนตรัสออกไซด์ที่ใหญ่เป็นอันดับสองในภาคอุตสาหกรรม กรดอะดิปิกส่วนใหญ่ที่ผลิตได้ถูกกำหนดไว้สำหรับการผลิตไนลอน และยังใช้ในการผลิตพรม เสื้อผ้า ยางรถยนต์ สีย้อมและยาฆ่าแมลง

เทคโนโลยีสำหรับการลดการปล่อย N2O ในการผลิตกรดอะดิปิกมีวางจำหน่ายแล้ว โดยลดลงประมาณ 90% ของการปล่อย และประมาณ 70% ของอุตสาหกรรมการผลิตกรดอะดิปิกใช้เทคโนโลยีเหล่านี้

การเผาไหม้ชีวมวล

การเผาชีวมวลหมายถึงการเผาวัสดุใดๆ ที่มาจากพืชหรือสัตว์เพื่อผลิตพลังงาน กล่าวโดยย่อ การเผาไหม้ชีวมวลหมายถึงการเผาไหม้ตามธรรมชาติหรือโดยสาเหตุของมนุษย์ ส่วนใหญ่เป็นป่า/ป่าไม้และแม้แต่ถ่าน

ปริมาณเฉลี่ยของ N2O ที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ของสารชีวมวลนั้นวัดได้ยาก เนื่องจากขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุที่ถูกเผาเป็นอย่างมาก แต่คาดว่าเป็นแหล่งปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์ที่ใหญ่เป็นอันดับสาม ไฟป่าส่วนใหญ่เกิดจากปัจจัยทางธรรมชาติ เช่น ฟ้าผ่า แต่การกระทำของมนุษย์ก็ค่อนข้างน่ากังวลเช่นกัน การเผาป่าเพื่อความก้าวหน้าทางการเกษตรและปศุสัตว์เป็นหนึ่งในความกังวลที่ใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับการเผาป่าไม้ พืชพรรณธรรมชาติ หรือแม้แต่เศษพืชผล เนื่องจากไฟเป็นวิธีที่ถูกและง่ายในการเคลียร์พื้นที่

ข้อเท็จจริงที่น่ากังวลอีกประการหนึ่งคือการใช้ไม้และถ่านเพื่อสร้างพลังงานและแม้กระทั่งในเตา ในหลายภูมิภาคของโลก การสร้างพลังงานจากพืชและการนำไปใช้งานบางอย่าง เช่น การทำอาหาร เป็นเรื่องปกติธรรมดามาก และยังอาจเป็นแหล่งปล่อยก๊าซ N2O ที่ส่งผลกระทบอีกด้วย

กฎหมายและการดำเนินการเพื่อลดและป้องกันการเผาไหม้จะต้องดำเนินการเพื่อลดการปล่อย N2O จากการเผาไหม้สู่พื้นที่ "สะอาด" เพื่อการเกษตรหรือวัตถุประสงค์อื่น ๆ รวมทั้งการควบคุมและต่อสู้กับไฟโดยสาเหตุธรรมชาติ นอกเหนือจากการให้ความเสี่ยงของเปลวไฟที่ไม่สามารถควบคุมได้ ซึ่งอาจทำลายล้างพื้นที่ขนาดมหึมา ดังที่เกิดขึ้นเมื่อเดือนพฤศจิกายน 2558 ที่ Chapada Diamantina การปล่อยมลพิษและก๊าซพิษสามารถส่งผลกระทบต่อภูมิภาคอย่างมาก

ด้านการปล่อยก๊าซจากการใช้ชีวมวลในการผลิตพลังงานและในเตา การปรับปรุงเทคนิคการใช้เชื้อเพลิงให้น้อยลง มีประสิทธิภาพมากขึ้น และการทดแทนด้วยเชื้อเพลิงที่ไม่ปล่อย N2O เช่น ก๊าซจากปิโตรเลียม เป็นทางเลือกหนึ่งในการลด N2O การปล่อยมลพิษจากแหล่งเหล่านี้ ในกรณีของการแทนที่ด้วยก๊าซจากปิโตรเลียมเราจะมีปัญหาการปล่อย CO2 - อาจดูบ้า แต่จะดีกว่าที่จะปล่อย CO2 แทน N2O เนื่องจาก N2O นอกจากจะมีส่วนช่วยในการทำลายชั้นโอโซน มีพลังงานกักเก็บความร้อนมากกว่า CO2 ถึง 300 เท่า

น้ำเสียและการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ

เมื่อรวมกันแล้ว น้ำเสียและการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำคิดเป็น 4% ของการปล่อยไนตรัสออกไซด์ทั้งหมดที่เกิดจากมนุษย์ อาจดูเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแหล่งข้อมูลอื่นๆ แต่ก็ยังเป็นที่มาของความกังวล น้ำเสียมีลักษณะเป็นน้ำทิ้งที่มีสารปนเปื้อนและสิ่งสกปรกที่ต้องได้รับการบำบัดเพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ คือ การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำในพื้นที่จำกัดหรือควบคุม เช่น การเลี้ยงปลาเพื่อจำหน่าย

การปล่อยไนตรัสออกไซด์โดยน้ำเสียสามารถเกิดขึ้นได้สองวิธี: โดยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและชีวภาพในระหว่างการบำบัดน้ำเสียและโดยการกำจัดสิ่งปฏิกูลลงในแควซึ่งไนโตรเจนซึ่งมีความเข้มข้นสูงในน้ำเสียจะถูกแปลงเป็น N2O โดยแบคทีเรียที่มีอยู่ใน แคว

เช่นเดียวกับปัญหาเกี่ยวกับปุ๋ย ในการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ ปัญหาคือการใช้ไนโตรเจนในปริมาณสูง ไนโตรเจนจำนวนมากที่มีอยู่ในอาหารของสิ่งมีชีวิตที่เพาะปลูกทำให้มีไนโตรเจนอยู่ในน้ำในระดับสูง ซึ่งจะถูกแปลงเป็นไนตรัสออกไซด์โดยกระบวนการทางเคมีและ/หรือทางชีววิทยา

วิธีการหลักในการลดไนตรัสออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจากของเสียคือเทคนิคการบำบัด ซึ่งจะช่วยลดปริมาณไนโตรเจนเจือจาง เทคนิคบางอย่างสามารถกำจัดไนโตรเจนเจือจางได้มากถึง 80% นโยบายและเทคโนโลยีการบำบัดจะต้องนำมาใช้และกำหนดขึ้นเพื่อลดการปล่อยไนตรัสออกไซด์

เทคนิคการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำยังสามารถนำไปใช้เพื่อลดการปล่อย N2O ได้ เช่น การรวมระบบการเกษตรและการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ การนำน้ำที่อุดมไปด้วยสารอาหารมาใช้กับพืชน้ำและพืชน้ำเพื่อเป็นอาหารการสร้างสัตว์น้ำ อาหารสำหรับส่วนอื่นๆ การดัดแปลงและเพิ่มประสิทธิภาพของอาหารและสารอาหาร โดยมีเป้าหมายเพื่อลดการเจือจางของไนโตรเจนในตัวกลาง

ผลกระทบที่เกิดจากการใช้ไนตรัสออกไซด์เรียกร้องความสนใจในสิ่งที่สำคัญ: ขอบเขตของดาวเคราะห์ เพื่อให้เข้าใจหัวข้อนี้มากขึ้น ให้ดูที่บทความ "ข้อ จำกัด ของดาวเคราะห์คืออะไร"