NH3 spatiotemporal variability over Paris, Mexico City, and Toronto, and its link to PM2.5 during pollution events

Megacities can experience high levels of fine particulate matter (PM2.5) pollution linked to ammonia (NH3) mainly emitted from agricultural activities. Here, we investigate such pollution in the cities of Paris, Mexico, and Toronto, each of which have distinct emission sources, agricultural regulations, and topography. Ten years of measurements from the infrared atmospheric sounding interferometer (IASI) are used to assess the spatiotemporal NH3 variability over and around the three cities. In Europe and North America, we determine that temperature is associated with the increase in NH3 atmospheric concentrations with a coefficient of determination (r2) of 0.8 over agricultural areas. The variety of the NH3 sources (industry and agricultural) and the weaker temperature seasonal cycle in southern North America induce a lower correlation factor (r2=0.5). The three regions are subject to long-range transport of NH3, as shown using HYSPLIT cluster back trajectories. The highest NH3 concentrations measured at the city scale are associated with air masses coming from the surrounding and north/northeast regions of Paris, the south/southwest areas of Toronto, and the southeast/southwest zones of Mexico City. Using NH3 and PM2.5 measurements derived from IASI and surface observations from 2008 to 2017, annually frequent pollution events are identified in the three cities. Wind roses reveal statistical patterns during these pollution events with dominant northeast/southwest directions in Paris and Mexico City, and the transboundary transport of pollutants from the United States in Toronto. To check how well chemistry transport models perform during pollution events, we evaluate simulations made using the GEOS-Chem model for March 2011. In these simulations we find that NH3 concentrations are underestimated overall, though day-to-day variability is well represented. PM2.5 is generally underestimated over Paris and Mexico City, but overestimated over Toronto.</p

L'ammoniac dérivé des observations satellitaires IASI pour l'étude des changements d’utilisation des sols, les échanges sol-atmosphère, et l'effet de la météorologie

Ammonia (NH3) is the most abundant usable form of nitrogen in the environment, and one of the main gases emitted from agriculture. NH3 contributes largely to the loss in biodiversity, fine particulate matter (PM2.5) pollution episodes, and acidification of the water and soil bodies. Previous studies have shown that emissions of ammonia from agricultural intensification are constantly increasing, compared to pre-industrial times. Climate warming is expecting to enhance ammonia emissions, especially under the stress of increasing population, and food demand. In my thesis I study the temporal and spatial evolution of ammonia in agricultural regions around the globe as measured by IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). The IASI series of instruments were launched aboard the Metop satellites in 2007, 2013 and 2018 on MetopA, B and C respectively. I first study the effect of meteorological fluctuations on atmospheric IASI-NH3 concentrations from agricultural practices. I then focus on the soil – atmosphere exchange by deriving NH3 soil emission factor, with an emphasis on agricultural soils in Europe, and during the growing season. To perform my studies, I use a variety of datasets: meteorological data from the EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF) reanalysis (ERA5), land cover type and burned area from the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), and model simulation data from the chemical transport model GEOS-Chem. Finally, I study the effect of land-use/cover change on atmospheric ammonia, coupled with the effect of meteorology in regions of conflict. For this, I look at the Syrian civil war, and I link the political course of events with the fluctuations in atmospheric ammonia in key regions in Syria.L'ammoniac (NH3) est la forme d'azote utilisable la plus abondante dans l'environnement et l'un des gaz principaux émis par l'agriculture. Le NH3 contribue largement à la perte de biodiversité, aux épisodes de pollution par les particules fines (PM2.5) et à l'acidification des surfaces d'eau et des sols. Des études antérieures ont montré que les émissions d'ammoniac provenant de l'intensification de l'agriculture sont en augmentation constante, par rapport à l'époque préindustrielle. On s'attend à ce que le réchauffement climatique augmente les émissions d'ammoniac, en particulier sous le stress de l'augmentation de la population et de la demande alimentaire. Dans ma thèse, j'étudie l'évolution temporelle et spatiale de l'ammoniac dans les régions agricoles du monde entier, mesurée par IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). Les instruments de la série IASI ont été lancés à bord des satellites Metop en 2007, 2013 et 2018 sur MetopA, B et C respectivement. J'étudie d'abord l'effet des fluctuations météorologiques sur les concentrations atmosphériques IASI-NH3 provenant des pratiques agricoles. Je me concentre ensuite sur l'échange sol - atmosphère en dérivant un facteur d'émission de NH3 du sol, en concentrant sur les sols agricoles en Europe, et pendant la saison de croissance agricole. Pour réaliser mes études, j'utilise divers ensembles de données : des données météorologiques provenant de la réanalyse (ERA5) de EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF), la couverture terrestre et la surface brûlée provenant du moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), et des données de simulation de modèle provenant du modèle de transport chimique GEOS-Chem. Enfin, j'étudie l'effet du changement d'utilisation/couverture des terres sur l'ammoniac atmosphérique, avec l'effet de la météorologie dans les régions en conflit. Pour cela, je regarde la guerre civile syrienne, et je relie le cours politique des événements avec les fluctuations de l'ammoniac atmosphérique dans des régions clés de la Syrie

L'ammoniac dérivé des observations satellitaires IASI pour l'étude des changements d’utilisation des sols, les échanges sol-atmosphère, et l'effet de la météorologie

Ammonia (NH3) is the most abundant usable form of nitrogen in the environment, and one of the main gases emitted from agriculture. NH3 contributes largely to the loss in biodiversity, fine particulate matter (PM2.5) pollution episodes, and acidification of the water and soil bodies. Previous studies have shown that emissions of ammonia from agricultural intensification are constantly increasing, compared to pre-industrial times. Climate warming is expecting to enhance ammonia emissions, especially under the stress of increasing population, and food demand. In my thesis I study the temporal and spatial evolution of ammonia in agricultural regions around the globe as measured by IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). The IASI series of instruments were launched aboard the Metop satellites in 2007, 2013 and 2018 on MetopA, B and C respectively. I first study the effect of meteorological fluctuations on atmospheric IASI-NH3 concentrations from agricultural practices. I then focus on the soil – atmosphere exchange by deriving NH3 soil emission factor, with an emphasis on agricultural soils in Europe, and during the growing season. To perform my studies, I use a variety of datasets: meteorological data from the EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF) reanalysis (ERA5), land cover type and burned area from the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), and model simulation data from the chemical transport model GEOS-Chem. Finally, I study the effect of land-use/cover change on atmospheric ammonia, coupled with the effect of meteorology in regions of conflict. For this, I look at the Syrian civil war, and I link the political course of events with the fluctuations in atmospheric ammonia in key regions in Syria.L'ammoniac (NH3) est la forme d'azote utilisable la plus abondante dans l'environnement et l'un des gaz principaux émis par l'agriculture. Le NH3 contribue largement à la perte de biodiversité, aux épisodes de pollution par les particules fines (PM2.5) et à l'acidification des surfaces d'eau et des sols. Des études antérieures ont montré que les émissions d'ammoniac provenant de l'intensification de l'agriculture sont en augmentation constante, par rapport à l'époque préindustrielle. On s'attend à ce que le réchauffement climatique augmente les émissions d'ammoniac, en particulier sous le stress de l'augmentation de la population et de la demande alimentaire. Dans ma thèse, j'étudie l'évolution temporelle et spatiale de l'ammoniac dans les régions agricoles du monde entier, mesurée par IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). Les instruments de la série IASI ont été lancés à bord des satellites Metop en 2007, 2013 et 2018 sur MetopA, B et C respectivement. J'étudie d'abord l'effet des fluctuations météorologiques sur les concentrations atmosphériques IASI-NH3 provenant des pratiques agricoles. Je me concentre ensuite sur l'échange sol - atmosphère en dérivant un facteur d'émission de NH3 du sol, en concentrant sur les sols agricoles en Europe, et pendant la saison de croissance agricole. Pour réaliser mes études, j'utilise divers ensembles de données : des données météorologiques provenant de la réanalyse (ERA5) de EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF), la couverture terrestre et la surface brûlée provenant du moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), et des données de simulation de modèle provenant du modèle de transport chimique GEOS-Chem. Enfin, j'étudie l'effet du changement d'utilisation/couverture des terres sur l'ammoniac atmosphérique, avec l'effet de la météorologie dans les régions en conflit. Pour cela, je regarde la guerre civile syrienne, et je relie le cours politique des événements avec les fluctuations de l'ammoniac atmosphérique dans des régions clés de la Syrie

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L'ammoniac (NH3) est la forme d'azote utilisable la plus abondante dans l'environnement et l'un des gaz principaux émis par l'agriculture. Le NH3 contribue largement à la perte de biodiversité, aux épisodes de pollution par les particules fines (PM2.5) et à l'acidification des surfaces d'eau et des sols. Des études antérieures ont montré que les émissions d'ammoniac provenant de l'intensification de l'agriculture sont en augmentation constante, par rapport à l'époque préindustrielle. On s'attend à ce que le réchauffement climatique augmente les émissions d'ammoniac, en particulier sous le stress de l'augmentation de la population et de la demande alimentaire. Dans ma thèse, j'étudie l'évolution temporelle et spatiale de l'ammoniac dans les régions agricoles du monde entier, mesurée par IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). Les instruments de la série IASI ont été lancés à bord des satellites Metop en 2007, 2013 et 2018 sur MetopA, B et C respectivement. J'étudie d'abord l'effet des fluctuations météorologiques sur les concentrations atmosphériques IASI-NH3 provenant des pratiques agricoles. Je me concentre ensuite sur l'échange sol - atmosphère en dérivant un facteur d'émission de NH3 du sol, en concentrant sur les sols agricoles en Europe, et pendant la saison de croissance agricole. Pour réaliser mes études, j'utilise divers ensembles de données : des données météorologiques provenant de la réanalyse (ERA5) de EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF), la couverture terrestre et la surface brûlée provenant du moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), et des données de simulation de modèle provenant du modèle de transport chimique GEOS-Chem. Enfin, j'étudie l'effet du changement d'utilisation/couverture des terres sur l'ammoniac atmosphérique, avec l'effet de la météorologie dans les régions en conflit. Pour cela, je regarde la guerre civile syrienne, et je relie le cours politique des événements avec les fluctuations de l'ammoniac atmosphérique dans des régions clés de la Syrie.Ammonia (NH3) is the most abundant usable form of nitrogen in the environment, and one of the main gases emitted from agriculture. NH3 contributes largely to the loss in biodiversity, fine particulate matter (PM2.5) pollution episodes, and acidification of the water and soil bodies. Previous studies have shown that emissions of ammonia from agricultural intensification are constantly increasing, compared to pre-industrial times. Climate warming is expecting to enhance ammonia emissions, especially under the stress of increasing population, and food demand. In my thesis I study the temporal and spatial evolution of ammonia in agricultural regions around the globe as measured by IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). The IASI series of instruments were launched aboard the Metop satellites in 2007, 2013 and 2018 on MetopA, B and C respectively. I first study the effect of meteorological fluctuations on atmospheric IASI-NH3 concentrations from agricultural practices. I then focus on the soil – atmosphere exchange by deriving NH3 soil emission factor, with an emphasis on agricultural soils in Europe, and during the growing season. To perform my studies, I use a variety of datasets: meteorological data from the EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF) reanalysis (ERA5), land cover type and burned area from the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), and model simulation data from the chemical transport model GEOS-Chem. Finally, I study the effect of land-use/cover change on atmospheric ammonia, coupled with the effect of meteorology in regions of conflict. For this, I look at the Syrian civil war, and I link the political course of events with the fluctuations in atmospheric ammonia in key regions in Syria

L'ammoniac dérivé des observations satellitaires IASI pour l'étude des changements d’utilisation des sols, les échanges sol-atmosphère, et l'effet de la météorologie

Ammonia (NH3) is the most abundant usable form of nitrogen in the environment, and one of the main gases emitted from agriculture. NH3 contributes largely to the loss in biodiversity, fine particulate matter (PM2.5) pollution episodes, and acidification of the water and soil bodies. Previous studies have shown that emissions of ammonia from agricultural intensification are constantly increasing, compared to pre-industrial times. Climate warming is expecting to enhance ammonia emissions, especially under the stress of increasing population, and food demand. In my thesis I study the temporal and spatial evolution of ammonia in agricultural regions around the globe as measured by IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). The IASI series of instruments were launched aboard the Metop satellites in 2007, 2013 and 2018 on MetopA, B and C respectively. I first study the effect of meteorological fluctuations on atmospheric IASI-NH3 concentrations from agricultural practices. I then focus on the soil – atmosphere exchange by deriving NH3 soil emission factor, with an emphasis on agricultural soils in Europe, and during the growing season. To perform my studies, I use a variety of datasets: meteorological data from the EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF) reanalysis (ERA5), land cover type and burned area from the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), and model simulation data from the chemical transport model GEOS-Chem. Finally, I study the effect of land-use/cover change on atmospheric ammonia, coupled with the effect of meteorology in regions of conflict. For this, I look at the Syrian civil war, and I link the political course of events with the fluctuations in atmospheric ammonia in key regions in Syria.L'ammoniac (NH3) est la forme d'azote utilisable la plus abondante dans l'environnement et l'un des gaz principaux émis par l'agriculture. Le NH3 contribue largement à la perte de biodiversité, aux épisodes de pollution par les particules fines (PM2.5) et à l'acidification des surfaces d'eau et des sols. Des études antérieures ont montré que les émissions d'ammoniac provenant de l'intensification de l'agriculture sont en augmentation constante, par rapport à l'époque préindustrielle. On s'attend à ce que le réchauffement climatique augmente les émissions d'ammoniac, en particulier sous le stress de l'augmentation de la population et de la demande alimentaire. Dans ma thèse, j'étudie l'évolution temporelle et spatiale de l'ammoniac dans les régions agricoles du monde entier, mesurée par IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). Les instruments de la série IASI ont été lancés à bord des satellites Metop en 2007, 2013 et 2018 sur MetopA, B et C respectivement. J'étudie d'abord l'effet des fluctuations météorologiques sur les concentrations atmosphériques IASI-NH3 provenant des pratiques agricoles. Je me concentre ensuite sur l'échange sol - atmosphère en dérivant un facteur d'émission de NH3 du sol, en concentrant sur les sols agricoles en Europe, et pendant la saison de croissance agricole. Pour réaliser mes études, j'utilise divers ensembles de données : des données météorologiques provenant de la réanalyse (ERA5) de EUropean Organisation for the Exploitation of METeorological SATellites (ECMWF), la couverture terrestre et la surface brûlée provenant du moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS), et des données de simulation de modèle provenant du modèle de transport chimique GEOS-Chem. Enfin, j'étudie l'effet du changement d'utilisation/couverture des terres sur l'ammoniac atmosphérique, avec l'effet de la météorologie dans les régions en conflit. Pour cela, je regarde la guerre civile syrienne, et je relie le cours politique des événements avec les fluctuations de l'ammoniac atmosphérique dans des régions clés de la Syrie

A space view of agricultural and industrial changes during the Syrian civil war

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The effects of the Syrian civil war on atmospheric ammonia as seen from IASI

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Ammonia (NH3) volatilization and meteorology in agricultural fields

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A space view of agricultural and industrial changes during the Syrian civil war

International audienceThe agricultural sector in Syria was heavily affected by the civil war that started in 2011. We investigate the war's impact on the country's atmospheric ammonia (NH 3) from 2008 to 2019, using measurements from the infrared atmospheric sounding interferometer instrument on board the Metop satellites. We examine the changes in NH 3 close to a fertilizer industry, whose activities were suspended due to conflict-related events. We also explore the effect of war-induced land use/land cover changes on agriculture-emitted ammonia in northeast Syria that has witnessed battles between different groups. The interpretation of the changes in NH 3 is supported by different datasets: visible satellite imagery to assess the effect on industrial activity, reanalysis data from the European center for medium-range weather forecasts to look at the effect of meteorology (temperature, wind speed, and precipitation), and land cover and burned area products from the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) to examine land use/land cover changes and fire events during the study period. We show that the NH 3 columns are directly affected by the war. Periods of intense conflict are reflected in lower values over the industry reaching-17%,-47%, and-32% in 2013, 2014, and 2016, respectively, compared to the [2008-2012] average, and a decrease reaching-14% and-15% in the croplands' area in northeast Syria during 2017 and 2018 (compared to 2011), respectively. Toward the end of the control of Islamic State in Iraq and Syria, an increase in atmospheric NH 3 was accompanied by an increase in croplands' area that reached up to þ35% in 2019 as compared to prewar (2011). This study shows the relevance of remote-sensing data of atmospheric composition in studying societal changes at a local and regional scale

Ammonia – Biosphere interaction as seen from satellite, and its perturbation during the Syrian civil war

International audienc