Die australischen Waldbrände in den Jahren 2019 und 2020 waren historisch, weil sie sich so weit und schnell ausbreiteten und weil sie so lange und heftig brannten. Insgesamt loderten die verheerenden “Black Summer”-Brände auf einer Fläche von mehr als 43 Millionen Hektar und löschten oder vertrieben fast 3 Milliarden Tiere. Durch die Brände wurden außerdem über 1 Million Tonnen Rauchpartikel in die Atmosphäre geschleudert, die bis zu 35 Kilometer über der Erdoberfläche aufstiegen – eine Masse und Reichweite, die mit der eines ausbrechenden Vulkans vergleichbar ist.
Nun haben Atmosphärenchemiker des MIT herausgefunden, dass der Rauch dieser Brände chemische Reaktionen in der Stratosphäre auslöste, die zur Zerstörung des Ozons beitrugen, das die Erde vor einfallender UV-Strahlung schützt. Die Studie des Teams, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, ist die erste, die einen chemischen Zusammenhang zwischen dem Rauch der Waldbrände und dem Abbau der Ozonschicht herstellt.
Im März 2020, kurz nachdem die Brände abgeklungen waren, beobachtete das Team einen starken Rückgang des Stickstoffdioxids in der Stratosphäre, der der erste Schritt in einer chemischen Kaskade ist, die bekanntermaßen zum Ozonabbau führt. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Rückgang des Stickstoffdioxids direkt mit der Rauchmenge korreliert, die von den Bränden in die Stratosphäre abgegeben wurde. Sie schätzen, dass die Ozonsäule durch diese rauchbedingte Chemie um 1 Prozent abgebaut wurde.
Um dies in den richtigen Kontext zu setzen, weisen sie darauf hin, dass der Ausstieg aus ozonschädigenden Gasen im Rahmen eines weltweiten Abkommens zur Einstellung ihrer Produktion in den letzten zehn Jahren zu einer Erholung der Ozonwerte um etwa 1 Prozent geführt hat – was bedeutet, dass die Waldbrände diese hart erkämpften diplomatischen Erfolge für einen kurzen Zeitraum zunichte gemacht haben. Wenn die Waldbrände in Zukunft stärker und häufiger werden, wie es aufgrund des Klimawandels vorhergesagt wird, könnte sich die prognostizierte Erholung der Ozonwerte 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 die Hauptautorin Susan Solomon, die Lee and Geraldine Martin Professorin für Umweltstudien am MIT. “Es ist ein weiterer Weckruf, genau wie das Ozonloch in der Antarktis, der zeigt, wie schlimm die Dinge tatsächlich sein könnten.
Zu den Co-Autoren der Studie gehören Kane Stone, ein Forscher in der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften des MIT, sowie Mitarbeiter mehrerer Institutionen, darunter die Universität von Saskatchewan, die Jinan-Universität, das National Center for Atmospheric Research und die Universität von Colorado in Boulder.
Chemische Spuren
Massive Waldbrände sind dafür bekannt, dass sie Pyrocumulonimbus erzeugen – hoch aufragende Rauchwolken, die bis in die Stratosphäre reichen können, die Schicht der Atmosphäre, die zwischen 15 und 50 Kilometern 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 Mitautor, Pengfei Yu von der Universität Jinan, 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 lang anhielt. Die Studie fand auch Hinweise auf eine Zerstörung der Ozonschicht in der südlichen Hemisphäre nach den Bränden.
Solomon fragte sich, ob der Rauch der Brände das Ozon durch eine ähnliche Chemie wie vulkanische Aerosole abgebaut haben könnte. Große Vulkanausbrüche können ebenfalls bis in die Stratosphäre vordringen, und 1989 entdeckte Solomon, dass die Partikel dieser Eruptionen durch eine Reihe chemischer Reaktionen Ozon zerstören können. Wenn sich die Partikel in der Atmosphäre bilden, sammeln sie Feuchtigkeit auf ihrer Oberfläche. Sobald sie feucht sind, können die Partikel mit den in der Stratosphäre zirkulierenden Chemikalien reagieren, einschließlich Distickstoffpentoxid, das mit den Partikeln zu Salpetersäure reagiert.
Normalerweise reagiert Distickstoffpentoxid mit der Sonne und bildet verschiedene Stickstoffarten, darunter Stickstoffdioxid, eine Verbindung, die sich mit chlorhaltigen Chemikalien in der Stratosphäre verbindet. Wenn vulkanischer Rauch Distickstoffpentoxid in Salpetersäure umwandelt, sinkt das Stickstoffdioxid, und die Chlorverbindungen nehmen einen anderen Weg und verwandeln sich in Chlormonoxid, den wichtigsten vom Menschen verursachten Wirkstoff, der das Ozon zerstört.
“Wenn man diesen Punkt überwunden hat, ist diese Chemie gut bekannt”, sagt Solomon. “Sobald man weniger Stickstoffdioxid hat, muss man mehr Chlormonoxid haben, und das führt zum Abbau von Ozon.
Wolkeninjektion
In der neuen Studie untersuchten Solomon und ihre Kollegen, wie sich die Stickstoffdioxidkonzentrationen in der Stratosphäre nach den Bränden in Australien veränderten. Wenn diese Konzentrationen deutlich zurückgingen, wäre dies ein Zeichen dafür, dass der Rauch von Waldbränden durch dieselben chemischen Reaktionen Ozon abbaut wie einige Vulkanausbrüche.
Das Team untersuchte Beobachtungen von Stickstoffdioxid, die von drei unabhängigen Satelliten gemacht wurden, die die südliche Hemisphäre über unterschiedlich lange Zeiträume überwacht haben. Sie verglichen die Aufzeichnungen der einzelnen Satelliten in den Monaten und Jahren vor und nach den Bränden in Australien. Alle drei Aufzeichnungen zeigten einen deutlichen Rückgang des Stickstoffdioxids im März 2020. Bei einem Satelliten bedeutete dieser Rückgang einen Rekordtiefststand in den Beobachtungen der letzten 20 Jahre.
Um zu überprüfen, ob der Rückgang des Stickstoffdioxids eine direkte chemische Auswirkung des Brandrauchs 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 speiste eine Wolke von Rauchpartikeln in das Modell ein und simulierte so, was bei den australischen Waldbränden beobachtet wurde. Sie gingen davon aus, dass die Partikel, wie vulkanische Aerosole, Feuchtigkeit aufnehmen. Anschließend ließen sie das Modell mehrfach laufen und verglichen die Ergebnisse mit Simulationen ohne die Rauchwolke.
Bei jeder Simulation mit Waldbrandrauch stellte das Team fest, dass die Stickstoffdioxidkonzentration in der Stratosphäre mit zunehmender Menge an Rauchpartikeln abnahm, was mit den Beobachtungen der drei Satelliten übereinstimmte.
“Das Verhalten, das wir gesehen haben, nämlich immer mehr Aerosole und immer weniger Stickstoffdioxid, sowohl im Modell als auch in den Daten, ist ein fantastischer Fingerabdruck”, sagt Solomon. “Es ist das erste Mal, dass die Wissenschaft einen chemischen Mechanismus nachgewiesen hat, der den Rauch von Waldbränden mit dem Ozonabbau in Verbindung bringt. Es mag nur ein chemischer Mechanismus unter mehreren sein, aber er ist eindeutig vorhanden. Er sagt uns, dass diese Partikel feucht sind und einen gewissen Ozonabbau verursacht haben müssen.
Sie und ihre Mitarbeiter untersuchen weitere Reaktionen, die durch den Rauch von Waldbränden ausgelöst werden und zum Abbau von Ozon beitragen könnten. Derzeit sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) – Chemikalien wie alte Kühlmittel, die im Rahmen des Montrealer Protokolls verboten wurden – die Hauptursache für den Ozonabbau, obwohl sie weiterhin in der Stratosphäre verbleiben. Da die globale Erwärmung jedoch zu stärkeren und häufigeren Waldbränden führt, könnte deren Rauch ernsthafte und dauerhafte Auswirkungen auf das Ozon haben.
“Der Rauch von Waldbränden ist ein giftiges Gebräu aus organischen Verbindungen, die sehr komplex sind”, sagt Solomon. “Und ich fürchte, dass das Ozon durch eine ganze Reihe von Reaktionen geschädigt wird, die wir jetzt mit Hochdruck entschlüsseln.”
Diese Forschung wurde zum Teil von der National Science Foundation und der NASA unterstützt.
Datum: Februar 28, 2022
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
Journal Reference:
- Susan Solomon et al. On the stratospheric chemistry of midlatitude wildfire smoke. PNAS, 2022 DOI: 10.1073/pnas.2117325119