Hitzewellen können jahrzehntelangen Kampf gegen Luftverschmutzung zunichtemachen
Neue Studie warnt: Hitzewellen können Ozon in die Höhe treiben – selbst wenn Abgase aus Verkehr und Industrie sinken.
Der Jangtse zieht sich durch Chinas Landschaft – während der Rekordhitze 2022 stiegen über seinem Flussbecken die Ozonwerte deutlich an. © Wikimedia
China hat über Jahre versucht, seine Luft sauberer zu machen. Strengere Regeln für Fabriken, Kraftwerke und Verkehr drückten viele Schadstoffe nach unten. Feinstaubwerte sanken, die Luftqualität verbesserte sich in vielen Regionen. Dann kam der Sommer 2022.
Eine historische Hitzewelle legte sich über das Land, in manchen Regionen stiegen die Temperaturen auf bis zu 46,4 Grad. Im Jangtse-Becken lagen einzelne Regionen während extremer Hitzephasen um bis zu sechs Grad über dem üblichen Niveau. Doch während China viele klassische Schadstoffe weiter senkte, stiegen die Ozonwerte im Jangtse-Becken deutlich an. Die Hitze schien einen Teil der Erfolge bei der Luftreinhaltung auszubremsen.
Hitze bremst Erfolge im Kampf gegen die Luftverschmutzung unerwartet aus
Ein Forschungsteam von der Fudan University wollte wissen, warum. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Duke University, der University of California, Irvine und weiteren Einrichtungen wertete es Messdaten am Boden, Satellitendaten und Modellrechnungen aus. Nun haben die Experten ihre Studie im Fachjournal Environmental Science and Ecotechnology veröffentlicht.
Das Ergebnis klingt zunächst paradox, ist aber chemisch erklärbar: Bei extremer Hitze können Pflanzen und Böden natürliche Stoffe freisetzen, die in der Atmosphäre eine gefährliche Kettenreaktion antreiben. Pflanzen gaben während der Hitzewelle deutlich mehr Terpenoide ab. Dazu gehört Isopren, ein flüchtiger Kohlenwasserstoff, der etwa von Bäumen und anderer Vegetation stammt. Böden setzten zugleich mehr Stickstoffmonoxid frei.
In Teilen des Jangtse-Beckens verlor der Boden während der Hitze mehr als die Hälfte seiner Feuchtigkeit.
Bei Hitze pumpen Pflanzen plötzlich Ozon-Stoffe in die Luft
Im Jangtse-Becken stiegen die Isopren-Emissionen um mehr als 130 Prozent gegenüber dem Mittel der Jahre 2020 und 2021. Satellitendaten zu Formaldehyd bestätigten den Anstieg. Formaldehyd gilt in der Atmosphäre als Hinweis auf Isopren. Die Formaldehyd-Werte lagen im Jangtse-Becken um rund 31 Prozent höher als zuvor.
Zugleich setzten Böden bei Hitze mehr Stickstoffmonoxid frei. In der Luft entstanden durch die Pflanzenstoffe mehr reaktive Radikale. Sie beschleunigten die Umwandlung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid. Daraus bildete sich bodennahes Ozon, ohne dass Stickstoffmonoxid den Schadstoff im üblichen Maß abbaute.
Auffällig war dabei, dass menschliche Stickstoffoxid-Emissionen in China eigentlich zurückgingen, die Stickstoffdioxid-Werte während der Hitze aber trotzdem stiegen.
Ozon steigt in der Hitzewelle um 21 Prozent
Im Jangtse-Becken stieg die regionale Ozonbelastung während der Hitzewelle um 21 Prozent. Zum Vergleich: Zwischen 2013 und 2019 waren bodennahe Ozonwerte in China im Mittel um etwa 1,9 ppb pro Jahr gestiegen. Sekundäre organische Aerosole nahmen um bis zu 4 Mikrogramm pro Kubikmeter zu. Solche Aerosole entstehen nicht direkt aus einem Auspuff oder Schornstein. Sie bilden sich erst in der Luft, wenn Vorläuferstoffe chemisch reagieren.
„Wir waren ehrlich überrascht, wie stark diese natürliche Rückkopplung ausfiel“, schreiben die Forscher. Über Jahre seien menschengemachte Emissionen gesunken. Bei Hitzewellen reagiere die Natur nun auf eine Weise, „mit der wir nicht gerechnet hatten“.
Bei fünf Grad mehr könnte der Ozon-Effekt fast doppelt so stark werden
Pflanzen und Wälder gelten deshalb nicht grundsätzlich als Gefahr für die Luftqualität. Die Reaktion entstand unter besonderen Bedingungen: extreme Hitze, starke Sonneneinstrahlung, aktive Luftchemie und zusätzliche Stickstoffverbindungen aus dem Boden. In solchen Regionen kann bodennahes Ozon besonders schnell zunehmen.
Die Forscher rechneten auch ein Szenario mit fünf Grad zusätzlicher Erwärmung durch. In diesem Modell verstärkte sich der Effekt deutlich. Unter solchen Bedingungen könnte sich die Wirkung nahezu verdoppeln. Höhere Temperaturen trieben sowohl Pflanzenemissionen als auch Bodenemissionen an. In der Folge stiegen Ozon und sekundäre organische Aerosole weiter.
Wälder müssen klug geplant werden
Aufforstung bindet Kohlendioxid und hilft beim Klimaschutz. Große Waldflächen beeinflussen aber auch die Luftchemie. Manche Baumarten geben mehr flüchtige organische Stoffe ab als andere. Bei großer Hitze können daraus mehr Ozon und sekundäre Aerosole entstehen.
Die Autoren warnen deshalb vor zu einfachen Strategien. Waldplanung, Luftreinhaltung und Klimaanpassung müssten enger zusammen gedacht werden. Bei Hitzewellen verstärken sich die Emissionen aus Vegetation und Böden gegenseitig. Bäume geben mehr reaktive Verbindungen ab. Dadurch wird die Atmosphäre chemisch aktiver. Stickstoff aus dem Boden wandelt sich schneller in Stoffe um, aus denen bodennahes Ozon entstehen kann.
Die Modellrechnungen dürften den Beitrag des Boden-Stickstoffs eher unterschätzen, weil solche Emissionen schwer exakt zu erfassen sind.
Kurz zusammengefasst:
- Hitzewellen können Luftverschmutzung verschärfen, obwohl Abgase aus Verkehr, Industrie und Kraftwerken sinken.
- Bei großer Hitze geben Pflanzen mehr Isopren und Böden mehr Stickstoffmonoxid ab; daraus kann in der Luft mehr bodennahes Ozon entstehen.
- Im Jangtse-Becken stieg die Ozonbelastung während der China-Hitzewelle 2022 um 21 Prozent, sekundäre Aerosole nahmen um bis zu 4 Mikrogramm pro Kubikmeter zu.
Übrigens: Auch der Amazonas verändert bei Extremstress die Chemie der Luft – während der El-Niño-Dürre gaben seine Bäume deutlich mehr pflanzliche Schutzstoffe ab. Was Forscher direkt über dem Kronendach gemessen haben und warum der Wald nach dem Regen nicht sofort in den Normalzustand zurückkehrte, mehr dazu in unserem Artikel.
