Studie enthüllt chemischen Zusammenhang zwischen Waldbrandrauch und Ozonabbau

Die australischen Waldbrände in den Jahren 2019 und 2020 waren historisch dafür, wie weit und schnell sie sich ausbreiteten und wie lange und stark sie brannten. Alles in allem loderten die verheerenden Brände des „Schwarzen Sommers“ auf mehr als 43 Millionen Hektar Land und löschten oder vertrieben fast 3 Milliarden Tiere. Die Brände schleuderten auch über 1 Million Tonnen Rauchpartikel in die Atmosphäre und reichten bis zu 35 Kilometer über die Erdoberfläche – eine Masse und Reichweite, die mit der eines ausbrechenden Vulkans vergleichbar sind.

Nun haben atmosphärische Chemiker am MIT herausgefunden, dass der Rauch dieser Brände chemische Reaktionen in der Stratosphäre auslöst, die zur Zerstörung von Ozon beitrugen, das die Erde vor einfallender ultravioletter Strahlung schützt. Die Studie des Teams, die in der erscheint Proceedings of the National Academy of Sciencesstellt erstmals eine chemische Verbindung zwischen Waldbrandrauch und Ozonabbau her.

Im März 2020, kurz nachdem die Brände abgeklungen waren, beobachtete das Team einen starken Rückgang von Stickstoffdioxid in der Stratosphäre, was der erste Schritt in einer chemischen Kaskade ist, die bekanntermaßen in einem Ozonabbau endet. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Rückgang des Stickstoffdioxids direkt mit der Rauchmenge korreliert, die die Brände in die Stratosphäre freigesetzt haben. Sie schätzen, dass diese rauchinduzierte Chemie die Ozonsäule um 1 Prozent verringerte.

Um dies in einen Zusammenhang zu bringen, stellen sie fest, dass der Ausstieg aus ozonabbauenden Gasen im Rahmen einer weltweiten Vereinbarung zur Einstellung ihrer Produktion zu einer Ozonerholung von etwa 1 Prozent gegenüber früheren Ozonrückgängen in den letzten 10 Jahren geführt hat – was bedeutet, dass die Waldbrände diese stark aufgehoben haben – gewann für kurze Zeit diplomatische Gewinne. Wenn zukünftige Waldbrände stärker und häufiger werden, wie es mit dem Klimawandel vorhergesagt wird, könnte sich die prognostizierte Erholung des Ozons um Jahre verzögern.

„Die australischen Brände scheinen das bisher größte Ereignis zu sein, aber da sich die Welt weiter erwärmt, gibt es allen Grund zu der Annahme, dass diese Brände häufiger und intensiver werden“, sagt Hauptautorin Susan Solomon, Professorin für Lee und Geraldine Martin Umweltstudien am MIT. „Es ist ein weiterer Weckruf, genau wie das Ozonloch in der Antarktis, in dem Sinne, dass es zeigt, wie schlimm es tatsächlich sein kann.“

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Kane Stone, ein Forschungswissenschaftler am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences des MIT, sowie Mitarbeiter an mehreren Institutionen, darunter die University of Saskatchewan, die Jinan University, das National Center for Atmospheric Research und die University of Colorado bei Boulder.

Chemische Spuren

Es ist bekannt, dass massive Waldbrände Pyrocumulonimbus erzeugen – hoch aufragende Rauchwolken, die bis in die Stratosphäre reichen können, die Schicht der Atmosphäre, die zwischen etwa 15 und 50 Kilometer über der Erdoberfläche liegt. Der Rauch der australischen Waldbrände reichte bis weit in die Stratosphäre, bis zu 35 Kilometer hoch.

Im Jahr 2021 führte Solomons Co-Autor Pengfei Yu von der Jinan University eine separate Studie über die Auswirkungen der Brände durch und stellte fest, dass der angesammelte Rauch Teile der Stratosphäre um bis zu 2 Grad Celsius erwärmte – eine Erwärmung, die sechs Monate anhielt . Die Studie fand auch Hinweise auf Ozonzerstörung in der südlichen Hemisphäre nach den Bränden.

Solomon fragte sich, ob der Rauch der Brände das Ozon durch eine ähnliche Chemie wie vulkanische Aerosole abbauen könnte. Große Vulkanausbrüche können auch bis in die Stratosphäre reichen, und 1989 entdeckte Solomon, dass die Partikel in diesen Eruptionen Ozon durch eine Reihe chemischer Reaktionen zerstören können. Wenn sich die Partikel in der Atmosphäre bilden, sammeln sie Feuchtigkeit auf ihren Oberflächen. Sobald sie nass sind, können die Partikel mit zirkulierenden Chemikalien in der Stratosphäre reagieren, einschließlich Distickstoffpentoxid, das mit den Partikeln reagiert, um Salpetersäure zu bilden.

Normalerweise reagiert Distickstoffpentoxid mit der Sonne, um verschiedene Stickstoffspezies zu bilden, darunter Stickstoffdioxid, eine Verbindung, die sich mit chlorhaltigen Chemikalien in der Stratosphäre verbindet. Wenn vulkanischer Rauch Distickstoffpentoxid in Salpetersäure umwandelt, sinkt Stickstoffdioxid ab und die Chlorverbindungen nehmen einen anderen Weg und verwandeln sich in Chlormonoxid, das wichtigste vom Menschen hergestellte Mittel, das Ozon zerstört.

„Diese Chemie ist, sobald Sie diesen Punkt überschritten haben, gut etabliert“, sagt Solomon. „Wenn Sie weniger Stickstoffdioxid haben, müssen Sie mehr Chlormonoxid haben, und das wird Ozon abbauen.“

Wolkeninjektion

In der neuen Studie untersuchten Solomon und ihre Kollegen, wie sich die Konzentrationen von Stickstoffdioxid in der Stratosphäre nach den Bränden in Australien veränderten. Wenn diese Konzentrationen deutlich sinken, würde dies darauf hindeuten, dass der Rauch von Waldbränden das Ozon durch dieselben chemischen Reaktionen wie einige Vulkanausbrüche abbaut.

Das Team sah sich Beobachtungen von Stickstoffdioxid an, die von drei unabhängigen Satelliten aufgenommen wurden, die die südliche Hemisphäre für unterschiedliche Zeiträume vermessen haben. Sie verglichen die Aufzeichnungen jedes Satelliten in den Monaten und Jahren vor und nach den Bränden in Australien. Alle drei Aufzeichnungen zeigten einen signifikanten Rückgang des Stickstoffdioxids im März 2020. Für die Aufzeichnung eines Satelliten stellte der Rückgang ein Rekordtief unter den Beobachtungen der letzten 20 Jahre dar.

Um zu überprüfen, ob der Rückgang des Stickstoffdioxids ein direkter chemischer Effekt des Rauchs der Brände war, führten die Forscher atmosphärische Simulationen mit einem globalen dreidimensionalen Modell durch, das Hunderte von chemischen Reaktionen in der Atmosphäre simuliert, von der Oberfläche bis hinauf in die Stratosphäre .

Das Team injizierte eine Wolke aus Rauchpartikeln in das Modell und simulierte, was bei den australischen Waldbränden beobachtet wurde. Sie nahmen an, dass die Partikel wie vulkanische Aerosole Feuchtigkeit ansammelten. Anschließend ließen sie das Modell mehrmals laufen und verglichen die Ergebnisse mit Simulationen ohne die Rauchwolke.

In jeder Simulation, die Lauffeuerrauch einbezog, stellte das Team fest, dass mit zunehmender Menge an Rauchpartikeln in der Stratosphäre die Konzentrationen von Stickstoffdioxid abnahmen, was mit den Beobachtungen der drei Satelliten übereinstimmte.

„Das Verhalten, das wir sowohl im Modell als auch in den Daten von immer mehr Aerosolen und immer weniger Stickstoffdioxid gesehen haben, ist ein fantastischer Fingerabdruck“, sagt Solomon. „Es ist das erste Mal, dass die Wissenschaft einen chemischen Mechanismus etabliert hat, der den Rauch von Waldbränden mit dem Ozonabbau in Verbindung bringt. Es ist vielleicht nur ein chemischer Mechanismus unter mehreren, aber er ist eindeutig vorhanden. Er sagt uns, dass diese Partikel nass sind und einen gewissen Ozonabbau verursacht haben müssen .“

Sie und ihre Mitarbeiter untersuchen andere Reaktionen, die durch Lauffeuerrauch ausgelöst werden und weiter zum Abbau von Ozon beitragen könnten. Vorerst bleiben die Haupttreiber des Ozonabbaus Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder FCKW – Chemikalien wie alte Kältemittel, die nach dem Montrealer Protokoll verboten wurden, obwohl sie weiterhin in der Stratosphäre verweilen. Da die globale Erwärmung jedoch zu stärkeren und häufigeren Waldbränden führt, könnte ihr Rauch ernsthafte und dauerhafte Auswirkungen auf das Ozon haben.

„Waldfeuerrauch ist ein giftiges Gebräu aus organischen Verbindungen, die komplexe Bestien sind“, sagt Solomon. „Und ich fürchte, Ozon wird von einer ganzen Reihe von Reaktionen heimgesucht, an deren Entschlüsselung wir jetzt fieberhaft arbeiten.“