Studie zeigt, dass sich im Winter am chinesischen Himmel große Schadstoffpartikel bilden

Forscher der School of Earth and Atmospheric Sciences haben herausgefunden, dass sich in den Schadstofffahnen von Kohlekraftwerken gefährliche Sulfate bilden und deren Partikel größer werden

Vorherige Studien haben herausgefunden, dass zu den Partikeln, die im Dunst über dem Himmel von Peking schweben, Sulfat gehört, eine Hauptquelle der Außenluftverschmutzung, die die Lunge schädigt und bestehende asthmatische Symptome verschlimmert, so das California Air Resources Board.

Sulfate entstehen normalerweise durch atmosphärische Oxidation im Sommer, wenn reichlich Sonnenlicht die Oxidation fördert, die Schwefeldioxid in gefährliche Aerosolpartikel umwandelt. Wie kommt es, dass China im Winter, wenn es nicht so viel Sonnenlicht gibt und die atmosphärische Oxidation langsam ist, eine solch extreme, mit Sulfaten beladene Umweltverschmutzung erzeugen kann?

Yuhang Wang, Professor an der School of Earth and Atmospheric Sciences der Georgia Tech, und sein Forschungsteam haben eine Studie durchgeführt, die möglicherweise die Antwort liefert: Alle chemischen Reaktionen, die erforderlich sind, um Schwefeldioxid hauptsächlich in Schwefeltrioxid und dann schnell in Sulfat umzuwandeln passieren innerhalb der Rauchfahnen, die die Verschmutzung verursachen. Dieser Prozess erzeugt im Winter in China nicht nur Sulfate, er läuft auch schneller ab und führt zu größeren Sulfatpartikeln in der Atmosphäre.

„Wir nennen die Quelle ‚In-Source-Formation‘“, sagt Wang. „Statt dass sich Oxidationsmittel in der Atmosphäre ausbreiten und Schwefeldioxid langsam zu Schwefeltrioxid oxidieren, um Sulfat zu erzeugen, haben wir diese konzentrierte Produktion in den Abgasfahnen, die die Schwefelsäure in große Sulfatpartikel verwandelt. Und deshalb sehen wir diese großen.“ Sulfatpartikel in China.

Die Ergebnisse der Bildung größerer Sulfatpartikel im Winter in China in der Quelle könnten Wissenschaftlern dabei helfen, die Auswirkungen von Aerosolen auf den Strahlungsantrieb – wie sich Klimawandel und globale Erwärmung auf die Energie- und Wärmebilanz der Erde auswirken – und auf die Gesundheit genau einzuschätzen, wobei größere Aerosole auch größer bedeuten Ablagerungen in der menschlichen Lunge.

„Bildung großer Sulfatpartikel im Winter in China und Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit“ ist veröffentlicht in Umweltwissenschaft und -technologie. Zu den Co-Autoren gehören Qianru Zhang von der Peking-Universität und Mingming Zheng von der Wuhan Polytechnic University, zwei von Wangs ehemaligen Studenten, die die Forschung während ihres Studiums an der Georgia Tech durchgeführt haben.

Erklärung eines historischen Smogs

China verbrennt immer noch viel Kohle in Kraftwerken, weil die Kosten im Vergleich zu Erdgas niedriger seien, sagt Wang. Es ermöglicht auch einen einfachen Vergleich zwischen Chinas dunstigen Wintern und einem historischen Ereignis, das die Aufmerksamkeit des Vereinigten Königreichs auf gefährliche Umweltgefahren lenkte – dem Great London Smog.

Bei dem in der Netflix-Show „The Crown“ dargestellten Ereignis kam es im Dezember 1952 zu einer starken Smogbelastung über London. Dem Ereignis ging ungewöhnlich kaltes Wetter voraus, das den durch Kohle erzeugten Dunst auf Bodenniveau senkte. Britische Beamte sagten später, der Great London Smog (auch Great London Fog genannt) sei für 4.000 Todesfälle und 100.000 Krankheiten verantwortlich, obwohl spätere Studien eine höhere Zahl von Todesopfern auf 10.000 bis 20.000 schätzten.

„Von den Tagen des Londoner Nebels bis zur extremen Winterverschmutzung in China war es eine Herausforderung zu erklären, wie Sulfat im Winter entsteht“, sagt Wang.

Wang und sein Team beschlossen, diese Herausforderung anzunehmen.

Aerosolgröße und Schwermetalleinfluss?

Die höheren Sulfatwerte in China, insbesondere im Januar 2013, widersprechen herkömmlichen Erklärungen, die auf einer standardmäßigen photochemischen Oxidation beruhten. Es wurde angenommen, dass Stickstoffdioxid oder andere milde Oxidationsmittel, die in alkalischen oder neutralen Partikeln in der Atmosphäre vorkommen, die Ursache waren. Messungen ergaben jedoch, dass die resultierenden Sulfatpartikel stark sauer waren.

Während Zhengs Zeit an der Georgia Tech „suchte sie einfach nach interessanten Dingen, die sie tun konnte“, sagt Wang über die ehemalige Studentin. „Und ich sagte, vielleicht sollten wir das tun – ich wollte, dass sie sich die Größenverteilungen der Aerosole ansieht, wie groß die Aerosole sind.“

Zheng und Wang stellten fest, dass die Größe der Sulfatpartikel aus dem chinesischen Winter viel größer war als die, die aus photochemisch erzeugten Aerosolen resultierten. Das Sulfat hatte normalerweise eine Größe von 0,3 bis 0,5 Mikrometern und war eher 1 Mikrometer groß. (Ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer groß.) Über eine größere Fläche verteilte Aerosole wären normalerweise kleiner.

„Die Beobachtungen mikrometergroßer Aerosole deuten darauf hin, dass Sulfatpartikel in einer schwefeltrioxidreichen Umgebung ein erhebliches Wachstum erfahren“, sagt Wang. Größere Partikel erhöhen die Risiken für die menschliche Gesundheit.

„Wenn Aerosole groß sind, lagert sich mehr im vorderen Teil des Atmungssystems ab, aber weniger im Endteil, etwa in den Alveolen“, fügt er hinzu. „Unter Berücksichtigung der großen Partikelgröße wird die gesamte Aerosoldeposition im menschlichen Atmungssystem schätzungsweise um 10 bis 30 Prozent ansteigen.“

Es muss jedoch noch etwas in die chemische Mischung eingebunden werden, damit sich das Schwefeldioxid in Schwefeltrioxid umwandeln und gleichzeitig die resultierenden Sulfatpartikel vergrößern kann. Wang sagt, ein möglicher Weg sei die katalytische Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefelsäure durch „Übergangsmetalle“.

Hohe Temperaturen, Säuregehalt und Wassergehalt im Abgas können die katalytische Schwefeldioxidoxidation im Vergleich zur Umgebungsatmosphäre erheblich beschleunigen. Es ist möglich, dass ähnliche heterogene Prozesse, die auf der heißen Oberfläche eines mit Übergangsmetallen beschichteten Schornsteins ablaufen, die signifikante Ursache erklären könnten Anteil von Schwefeltrioxid, der in den Abgasen von Kohlekraftwerken beobachtet wurde“, sagt Wang.

„Entweder bei der Verbrennung oder durch metallkatalysierte Oxidation bei erhöhten Temperaturen entsteht eine erhebliche Menge Schwefeltrioxid.“

Eine Chance für sauberer verbrennende Kohlekraftwerke

Die Auswirkungen der Bildung von Sulfat in der Quelle legen nahe, dass Maßnahmen zur Abkühlung und Entfernung von Schwefeltrioxid, Schwefelsäure und Partikeln aus den Emissionen von Kohleverbrennungsanlagen eine Möglichkeit sein könnten, die Verschmutzung zu verringern, die schwerwiegende Gesundheitsprobleme verursachen kann.

„Die Entwicklung und Implementierung einer solchen Technologie wird Nationen auf der ganzen Welt zugute kommen, insbesondere denen, die stark auf Kohle als Primärenergiequelle angewiesen sind“, sagt Wang.