Waldbrandrauch zerstört Ozon

Mitte des 20. Jahrhunderts setzte die Menschheit Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) in die Atmosphäre frei. In den 1980er-Jahren hatten FCKW den Ozonschutzschild des Planeten angegriffen und die Sicherheit und Gesundheit auf der Erde gefährdet. Weltweite Beschränkungen und Verbote haben begonnen, den Schaden zu heilen, aber neue Ergebnisse deuten darauf hin, dass immer schlimmere Waldbrände den Fortschritt behindern könnten.

„Das ist eine völlig neue Chemie, die wir betrachten.“

Flüssigkeitströpfchen, die Waldbrandrauch enthalten, wirken wie winzige Reaktionskammern für Chlor in der Stratosphäre und erzeugen reaktive Formen des Elements, die Ozon in den mittleren Breiten abbauen, berichteten Forscher in Nature.

Dieser chemische Mechanismus sei „noch nie zuvor beobachtet worden“, sagte der Mitautor der Studie und Atmosphärenforscher Kane Stone vom Massachusetts Institute of Technology. „Das ist eine völlig neue Chemie, die wir betrachten.“

Es wird erwartet, dass es mit der Erwärmung des Planeten häufiger zu großen Waldbränden kommt. Die neuen Erkenntnisse haben daher Bedenken geweckt, dass eine Intensivierung der Brände die Erholung der stratosphärischen Ozonschicht, die die Erdoberfläche und ihre Bewohner vor schädlicher ultravioletter (UV) Strahlung schützt, behindern könnte.

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FCKW wurden einst häufig in Aerosolsprays und Kältemitteln verwendet und sind einfache Chemikalien, die Kohlenstoff, Chlor und Fluor enthalten. Wenn diese Chemikalien in die Stratosphäre aufsteigen, werden sie durch UV-Licht zersetzt und Chlor freigesetzt. Sobald ein einzelnes Chloratom in der Atmosphäre frei ist, kann es mehr als 100.000 Ozonmoleküle zerstören.

Chloratome hören auf, Ozon zu zerstören, sobald sie in einem Molekül Salzsäure oder Chlornitrit landen. Diese beiden Chemikalien reagieren normalerweise nicht mit Ozon. Aber Aerosolpartikel ermöglichen chemische Reaktionen, die diese ozonsicheren Formen von Chlor in reaktivere Verbindungen umwandeln. Dazu nehmen sie Salzsäure und Chlornitrat aus der Luft und bringen sie in die Nähe anderer Chemikalien, was die Reaktionen beschleunigt. Diese Umwandlung ist vor allem in Stratosphärenwolken über den Polen ein Problem, die voller flüssiger und eisiger Aerosole sind, die beim Zusammentreffen mit Salzsäure und Chlornitrat erheblich zum Ozonabbau beitragen. Auch andere Aerosole wie Vulkanasche können Probleme verursachen.

Nach der verheerenden Waldbrandsaison 2020 in Australien „gab es Beobachtungen einer wirklich ungewöhnlichen Chemie in der Stratosphäre“, sagte Stone, darunter rekordtiefe Salzsäurewerte und ein Ozonabfall über den südlichen mittleren Breiten.

Stone und seine Kollegen dachten, Rauchaerosole aus Waldbränden könnten die ungewöhnlichen Beobachtungen erklären. In den mittleren Breiten ist es normalerweise zu warm, als dass Salzsäure und Chlornitrat auf Wasser- oder Eisaerosolen glänzen könnten, sodass sie normalerweise nicht unter Bildung ozonabbauender Chemikalien reagieren würden. Aber der Rauch von Waldbränden ist voll von aerosolisierten Flüssigkeiten auf Kohlenstoffbasis wie Alkoholen und organischen Säuren, die bei wärmeren Temperaturen Salzsäure leichter absorbieren können als Wasser. Durch die Bereitstellung einer Reaktionsoberfläche für Chlorchemikalien könnte der Rauch von Waldbränden den Ozonabbau begünstigen.

Wenn es um den Abbau der Ozonschicht ging, „dachte niemand wirklich an Waldbrände und Rauch.“

Um herauszufinden, ob diese organischen Stoffe den Ozonabbau begünstigen, haben die Wissenschaftler jahrzehntelange alte Labormessungen zur Löslichkeit von Salzsäure in verschiedenen kohlenstoffbasierten Flüssigkeiten ausgegraben, die größtenteils in den 1950er und 1960er Jahren durchgeführt wurden. Sie integrierten diese Daten in eine Computersimulation der Atmosphärenchemie nach den Bränden in Australien im Jahr 2020 und verglichen die Ergebnisse mit den realen Messungen.

Die Berücksichtigung der größeren Löslichkeit von Salzsäure in organischen Flüssigkeiten in ihren Simulationen führte zu „Ergebnissen, die dem, was wir in den Beobachtungen gesehen haben, sehr, sehr nahe kommen“, sagte Stone.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Rauch der australischen Brände etwa 3–5 % der Ozonschicht über den südlichen mittleren Breiten zerstört hat.

Erst in den letzten fünf bis sieben Jahren hätten Forscher erkannt, dass starke Waldbrandrauchwolken überhaupt die Stratosphäre erreichen könnten, sagte Lidar-Spezialist Albert Ansmann vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Deutschland, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.

Beim Thema Ozonabbau habe „niemand wirklich an Waldbrände und Rauch gedacht“, sagte er.

FCKW sind langsam verschwunden, seit die Vereinten Nationen mit der Verabschiedung des Montrealer Protokolls im Jahr 1987 einstimmig beschlossen haben, sie einzuschränken. Die Ozonschicht ist auf dem besten Weg, bis Mitte der 2060er Jahre in der Antarktis und bis 2045 in der Arktis in ihren Zustand vor den 1980er Jahren zurückzukehren , und bis 2040 überall sonst.

Aber der Klimawandel könnte diese Erholung erschweren, sagten Stone und Ansmann. Es wird erwartet, dass der Klimawandel in vielen brandgefährdeten Regionen, wie etwa in den borealen Wäldern, die Häufigkeit und Schwere von Bränden verstärken wird.

Und Brände schädigen das Ozon nicht nur in den Regionen, in denen sie entstehen – der Rauch entfernter Brände kann an den Polen sogar noch größere Schäden anrichten als in den mittleren Breiten, betonte Ansmann. Er und Kollegen haben große Waldbrände (und ihre Synergie mit polaren Stratosphärenwolken) mit einem Ozonabbau von 10–30 % über der Antarktis in Verbindung gebracht.

Wissenschaftler lernen immer noch, wie sich Rauch in der Stratosphäre verhält und wie er mit Ozon interagiert. In Zukunft, so Stone, werde es wichtig sein zu testen, wie sich die Ozonerholung auswirken wird, wenn Waldbrände aufgrund des Klimawandels schlimmer werden. Es sei auch wichtig, alte Studien darüber zu aktualisieren, wie gut sich Chlorchemikalien in organischen Flüssigkeiten lösen, fügte er hinzu.

Der vielleicht nicht intuitive Zusammenhang zwischen Waldbränden und Ozonabbau zeigt, dass es schwierig ist, zu sagen, was die Zukunft bringen wird, da sich der Klimawandel durch das Netz der Rückkopplungsschleifen bewegt, die die natürliche Welt bestimmen.

–Elise Cutts (@elisecutts), Wissenschaftsautorin