Waldbrandrauch kann noch Tausende Kilometer entfernt neue Schadstoffe bilden – Sonnenlicht verstärkt den Effekt bis zu zehnfach

Ein Waldbrand kann Tausende Kilometer entfernt noch zur Luftverschmutzung beitragen – selbst Tage nach dem Erlöschen der Flammen. Denn der Rauch transportiert nicht nur Schadstoffe. Unter dem Einfluss von Sonnenlicht können bestimmte Rauchbestandteile weitere Schadstoffe entstehen lassen. In manchen Regionen könnte die dafür verantwortliche chemische Reaktion bis zu zehnmal schneller ablaufen als ohne diese Stoffe.

Warum Waldbrandrauch noch lange nach seiner Entstehung chemisch aktiv bleibt, haben Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz untersucht. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachjournal Science Advances. Sie erklären, weshalb sich in älteren Rauchwolken weiterhin reaktive Stickstoffverbindungen bilden können, obwohl diese in der Atmosphäre normalerweise nach und nach abgebaut werden.

Warum Stickoxide im Waldbrandrauch ein Problem sind

Bei Waldbränden gelangen neben Feinstaub auch Stickoxide in die Atmosphäre. Sie entstehen ebenso im Straßenverkehr und bei industriellen Verbrennungsprozessen. In der Luft fördern diese Gase die Bildung von bodennahem Ozon, das die Atemwege reizt. Außerdem tragen sie zur Entstehung weiterer Feinstaubpartikel bei.

Mit der Zeit reagieren Stickoxide zu Salpetersäure und Nitrat. Das Nitrat sammelt sich in winzigen Schwebeteilchen und gelangt teilweise mit dem Regen zurück auf die Erde. Allerdings kann Sonnenlicht einen Teil davon wieder in reaktive Stickstoffverbindungen verwandeln. Die bisher bekannten Reaktionen liefen zu langsam ab, um die hohen Konzentrationen in älteren Rauchwolken vollständig zu erklären.

Brauner Kohlenstoff macht Waldbrandrauch besonders reaktionsfreudig

Eine wichtige Eigenschaft des Waldbrandrauchs hängt mit sogenanntem braunem Kohlenstoff zusammen. Darunter verstehen Chemiker bestimmte organische Verbindungen, die bei der unvollständigen Verbrennung von Holz und anderen Pflanzen entstehen. Sie können sichtbares und ultraviolettes Licht aufnehmen und dadurch chemische Reaktionen ermöglichen.

Am Paul Scherrer Institut verbrannten die Forschenden Buchenholz in einem Ofen und fingen die Rauchpartikel auf. Anschließend lösten sie die wasserlöslichen Bestandteile heraus, vermischten sie mit Nitrat und bestrahlten die Proben mit UV-Licht. Mit den organischen Rauchbestandteilen lief die untersuchte Reaktion in einer Versuchsreihe etwa dreimal so schnell ab wie ohne sie.

Auch schwächeres UV-Licht löst die Reaktion aus

Bei längerwelligem UV-Licht trat ein besonders auffälliger Unterschied auf. Ohne braunen Kohlenstoff entstanden praktisch keine nachweisbaren Reaktionsprodukte. Mit den Rauchbestandteilen bildeten sich dagegen salpetrige Säure und Stickstoffdioxid. Das Licht allein hätte kaum ausgereicht, um das Nitrat direkt aufzuspalten.

Bestimmte Moleküle des braunen Kohlenstoffs nehmen die Lichtenergie auf und können anschließend Elektronen für die Umwandlung des Nitrats bereitstellen. Versuche mit Stoffen, die solche Elektronen abfangen, stützten diesen Reaktionsweg. Allerdings reagierten nicht alle untersuchten organischen Verbindungen gleich. Entscheidend sind ihre jeweiligen chemischen Eigenschaften.

In einigen Weltregionen steigt die Reaktionsgeschwindigkeit stark

Die möglichen Auswirkungen unterscheiden sich von Region zu Region. Mithilfe eines globalen Atmosphärenmodells berechnete das Forschungsteam, wie stark brauner Kohlenstoff die Rückumwandlung von Nitrat beschleunigen könnte:

• Weltweit: Im Jahresmittel lag die berechnete Reaktionsgeschwindigkeit etwa fünfmal höher als ohne den Einfluss des braunen Kohlenstoffs.
• Amazonasgebiet und Afrika: In tropischen Regionen erreichte die modellierte Beschleunigung stellenweise nahezu den Faktor zehn.
• Asien: Ähnlich hohe Werte ergaben sich für Teile Südostasiens, Nordindiens und Ostchinas.

Die Berechnungen beruhen auf atmosphärischen Modelldaten aus dem Jahr 2018. Sie berücksichtigen unter anderem die Sonneneinstrahlung und die Zusammensetzung der Schwebeteilchen. Eine entsprechend höhere Schadstoffkonzentration lässt sich daraus jedoch nicht unmittelbar ableiten.

Salpetrige Säure fördert die Bildung von Ozon

Bei der Umwandlung des Nitrats entsteht unter anderem salpetrige Säure, kurz HONO. Sonnenlicht kann dieses Gas wiederum aufspalten. Dabei bilden sich sogenannte Hydroxylradikale. Diese äußerst reaktionsfreudigen Teilchen lösen weitere chemische Prozesse aus und fördern unter geeigneten Bedingungen die Entstehung von bodennahem Ozon und zusätzlichen Feinstaubbestandteilen.

Solche Reaktionen sind auch in Rauchwolken möglich, die sich bereits weit vom Feuer entfernt haben. Schadstoffe aus kanadischen Waldbränden lassen sich beispielsweise noch am Jungfraujoch in den Schweizer Alpen nachweisen. Wie viel zusätzliche Luftverschmutzung die Reaktion mit braunem Kohlenstoff auf solchen Transportwegen tatsächlich verursacht, ist bisher nicht gemessen worden.

Auch die achtfache Beschleunigung erklärt nicht alles

Für einen Vergleich verwendete das Team frühere Messungen aus echten Waldbrandrauchwolken. Mit braunem Kohlenstoff lag die berechnete Produktion salpetriger Säure um den Faktor 8,2 über der Berechnung allein anhand der direkten Nitratspaltung durch Licht. Trotzdem unterschätzte das Modell die aus den Messungen abgeleitete zusätzliche HONO-Produktion noch erheblich.

„Unser Ergebnis kann einen größeren Teil der Stickoxide erklären, die in der Atmosphäre vorhanden sind – aber noch nicht alles“, sagt PSI-Forscher Markus Ammann. Weitere Reaktionen dürften ebenfalls zur Schadstoffbildung beitragen. Zudem können sich die Eigenschaften des Rauchs erheblich unterscheiden. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren gehören Holzart, Feuchtigkeit und Sauerstoffzufuhr während der Verbrennung.

Bisher untersuchte das Team ausschließlich wasserlösliche Bestandteile des Rauchs aus schwelendem Buchenholz. Als Nächstes sollen Versuche mit dem vollständigen Rauchgemisch folgen. Dabei lassen sich auch Bestandteile erfassen, die bei den bisherigen Experimenten auf den Filtern zurückblieben oder sich nicht in Wasser lösen ließen.

Kurz zusammengefasst:

• Waldbrandrauch kann noch Tage nach einem Feuer zur Luftverschmutzung beitragen, selbst weit entfernt vom Brandort.
• Sonnenlicht aktiviert bestimmte Stoffe im Rauch, die Nitrat in reaktive Stickstoffverbindungen umwandeln und so die Entstehung weiterer Schadstoffe fördern.
• Im Labor wurde die Reaktion durch Rauchbestandteile beschleunigt. Modellrechnungen ergeben für manche Regionen eine bis zu zehnfache Beschleunigung.

Übrigens: Waldbrände im Amazonas können noch einen weiteren Schaden anrichten. Aus ihren Abgasen entsteht bodennahes Ozon, das die Blätter lebender Bäume schädigt und ihre CO₂-Aufnahme verringert. Mehr dazu in unserem Artikel über die versteckten Klimafolgen der Amazonas-Brände.

Bild: © PSI