Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben im Laborexperiment herausgefunden, wie brauner Kohlenstoff aus Waldbränden die Entstehung von gesundheits- und klimaschädlichen Stickoxiden in der Atmosphäre begünstigt. Damit können die Auswirkungen von Waldbränden auf die Luftqualität und auf das Klima besser vorhergesagt werden. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Mit Waldbränden verbinden wir ein loderndes Flammenmeer. Doch was geschieht mit dem Rauch? Wer aus sicherer Entfernung einen Waldbrand beobachtet, bemerkt vor allem die riesigen Wolken, die sich über dem Feuer auftürmen. Mehrere Kilometer steigen diese auf und begeben sich dann auf Reisen, die sich über Kontinente und Ozeane erstrecken können. Schadstoffe aus Waldbränden in Kanada lassen sich beispielsweise noch am Jungfraujoch in den Schweizer Alpen nachweisen.
Die Auswirkungen dieser Schadstoffe – zu ihnen gehören Feinstaub, Kohlendioxid und Stickoxide – auf Luftqualität und Klima sind vielfältig und gut belegt: Unter anderem führen sie zu Atemwegserkrankungen und beschleunigen durch den Treibhauseffekt den Klimawandel. Nun haben Forschende unter Leitung von Markus Ammann vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des Paul Scherrer Instituts PSI die Entstehung dieser Schadstoffe genauer untersucht und eine Erklärung dafür gefunden, weshalb auch in grosser Entfernung zu Waldbränden noch erhöhte Stickoxid-Konzentrationen vorliegen.
Der Weg der Stickoxide
Stickoxide (NOx) – also Verbindungen aus einem Stickstoffatom sowie einem oder zwei Sauerstoffatomen – entstehen bei Verbrennungsprozessen. Waldbrände und Blitze sind natürliche Quellen. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe sind die heutigen Stickoxidwerte in Ballungszentren jedoch um ein Vielfaches höher als in vorindustrieller Zeit.
In der unteren Atmosphäre sind Stickoxide für die Entstehung des Treibhaus- und Reizgases Ozon verantwortlich. Zudem oxidieren Stickoxide in der Atmosphäre zu Salpetersäure (HNO3). Diese löst sich als Nitrat in kleinsten Aerosolteilchen auf, die als Keime für Wolkentröpfchen dienen. Regen bringt das Nitrat zurück zur Erde, wo es sich im Boden ablagert.
Durch diese kontinuierliche Umwandlung von Stickoxiden zu Nitrat sollte sich am Ende eine viel geringere Menge an Stickoxiden in der Atmosphäre finden lassen, als tatsächlich vorhanden ist.
Zwar gibt es in der Atmosphäre auch einen bereits bekannten umgekehrten Pfad: Ausgelöst durch Sonnenlicht kann Nitrat in Stickoxid zurückverwandelt werden. Der Prozess heisst Photolyse. «Dieser Vorgang ist allerdings viel zu langsam und kann daher nicht die beobachteten Mengen an Stickoxid erklären», so Ammann.
Eine Hypothese in der Aerosolchemie lautete daher, dass es neben dieser bekannten, langsamen Photolyse noch eine weitere, schnellere Photolyse geben müsste – und dass weitere Stoffe, die bei Waldbränden freigesetzt werden, hierbei eine Rolle spielen könnten.
Simulierter Waldbrand im Holzofen
Waldbrände unterscheiden sich insofern von anderen Stickoxidquellen, als dass dort zusätzlich viel Feinstaub aus organischen Verbindungen entsteht, inklusive etwas Russ. Ursächlich hierfür ist die unvollständige Verbrennung von Holz und anderer Biomasse. Dieser organische Feinstaub sorgt für die gräulich-weisse Farbe des Rauchs. Ein Teil der organischen Verbindungen absorbiert das Licht im sichtbaren Bereich. Sie werden mit dem Begriff brauner Kohlenstoff zusammengefasst.
Um den Einfluss des braunen Kohlenstoffs auf die Photolyse zu untersuchen, führten die Forschenden am PSI ein Laborexperiment durch: In einem Holzofen simulierten sie zunächst einen Waldbrand, indem sie die Luftzufuhr so drosselten, dass mehr Rauch entstand – und damit mehr brauner Kohlenstoff. Mithilfe von Filtern wurde dieser aufgefangen, dann in Wasser gelöst und schliesslich in ein temperaturstabilisiertes Glasrohr gegeben.
Die Forschenden setzten dann Nitrat dem Licht von verschiedenen UV-Lampen aus, die das Sonnenlicht für verschiedene Situationen simulierten – je einmal ohne Zugabe des gesammelten braunen Kohlenstoffs und einmal mit. Dabei massen sie jeweils die Konzentration der entstandenen Stickoxide.
Mit Licht, das einen besonders energiereichen Ultraviolett-Anteil enthielt, also hartes UV-Licht, entstanden immer Stickoxide. Die Photolyse von Nitrat bei hartem UV-Licht ist bekannt. Die Stickoxidmenge war jedoch deutlich höher bei den Proben, die auch braunen Kohlenstoff enthielten.
«Als wir dann allerdings Lampen ohne harten UV-Anteil nahmen, konnten wir nur noch in Anwesenheit von braunem Kohlenstoff Stickoxide nachweisen», sagt Fengxia Bao, Forscherin in der Gruppe von Markus Ammann und Erstautorin der Studie.
Da eine direkte Photolyse mit dem verbleibenden weichen UV-Licht nicht möglich ist, schlussfolgerten die Forschenden, dass der Weg zum Stickoxid in diesem Fall über einen Umweg stattfindet: Die organischen Substanzen im braunen Kohlenstoff absorbieren das weiche UV-Licht. Dadurch gelangen sie in einen angeregten Zustand und können ein Elektron an das Nitrat abgeben. Das Nitrat wird so in Stickoxid umgewandelt. Auf diese Weise wird die Stickoxid-Produktion gegenüber dem bekannten Prozess mit hartem UV-Licht um das Zehnfache beschleunigt.
Ein starker Effekt
«Dies ist ein eindeutiges, starkes Ergebnis», sagt Ammann. «Wir konnten im Experiment nachweisen, was bisher nur vage vermutet wurde. Unsere Studie wird bessere Vorhersagen über die Auswirkungen von Waldbränden auf die Luftqualität und auf das Klima ermöglichen.»
Weitere Forschung wird nötig sein, um zusätzliche Entstehungswege für Stickoxid aufzuklären, so Ammann weiter: «Unser Ergebnis kann einen grösseren Teil der Stickoxide erklären, die in der Atmosphäre vorhanden sind – aber noch nicht alles.»
In Zukunft möchte er seine Forschung, die im Rahmen des ReCLEAN-Projekts des ETH-Rats gefördert worden ist, zudem noch realistischer machen. So könnte beispielsweise in der Simulationskammer am PSI das gesamte verbrannte Material verwendet werden und nicht nur die herausgefilterten und in Wasser gelösten Bestandteile.