Waldbrand und Stickoxidbildung: Neue Erkenntnisse aus Laboruntersuchungen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben in einem Laborexperiment untersucht, wie brauner Kohlenstoff aus Waldbränden die Bildung von gesundheits- und klimaschädlichen Stickoxiden (NOx) in der Atmosphäre beeinflusst. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine präzisere Einschätzung der Auswirkungen von Waldbränden auf Luftqualität und Klima. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Ausbreitung von Schadstoffen nach Waldbränden
Waldbrände erzeugen große Rauchwolken, die sich über mehrere Kilometer in die Atmosphäre erheben und weite Strecken über Kontinente und Ozeane zurücklegen können. So lassen sich Schadstoffe aus Bränden in Kanada beispielsweise noch in den Schweizer Alpen nachweisen. Zu den emittierten Schadstoffen zählen Feinstaub, Kohlendioxid und Stickoxide, die sowohl die Luftqualität beeinträchtigen als auch den Klimawandel durch Treibhauseffekte beschleunigen.
Stickoxide: Entstehung und Bedeutung
Stickoxide bestehen aus Stickstoff- und Sauerstoffatomen und entstehen bei Verbrennungsprozessen, wobei natürliche Quellen wie Waldbrände und Blitze eine Rolle spielen. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe sind die Stickoxidkonzentrationen in Ballungsgebieten heute deutlich höher als vor der Industrialisierung.
In der unteren Atmosphäre tragen Stickoxide zur Bildung von Ozon bei, das als Treibhaus- und Reizgas wirkt. Zudem oxidieren Stickoxide zu Salpetersäure, die sich als Nitrat in Aerosolpartikeln anlagert und als Wolkenkeim fungiert. Über Regen gelangt das Nitrat zurück auf die Erdoberfläche.
Die Umwandlung von Stickoxiden zu Nitrat sollte theoretisch zu einer geringeren Stickoxidkonzentration in der Atmosphäre führen. Allerdings zeigen Messungen höhere Werte, als durch die bekannten Prozesse erklärbar sind.
Untersuchung der Photolyse von Nitrat
Ein bekannter Rückreaktionsweg ist die Photolyse, bei der Nitrat durch Sonnenlicht wieder in Stickoxide zerlegt wird. Dieser Vorgang verläuft jedoch zu langsam, um die beobachteten Stickoxidmengen zu erklären. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine schnellere Photolyse existiert, möglicherweise beeinflusst durch weitere Stoffe, die bei Waldbränden freigesetzt werden.
Experimentelle Simulation eines Waldbrands
Waldbrände produzieren neben Stickoxiden auch viel organischen Feinstaub, darunter braunen Kohlenstoff, der durch unvollständige Verbrennung von Biomasse entsteht. Dieser braune Kohlenstoff absorbiert Licht im sichtbaren Bereich und beeinflusst die chemischen Prozesse in der Atmosphäre.
Im Labor simulierten Forschende am PSI einen Waldbrand in einem Holzofen, indem sie die Luftzufuhr reduzierten, um mehr Rauch und somit braunen Kohlenstoff zu erzeugen. Der Rauch wurde gefiltert, in Wasser gelöst und in einem temperaturkontrollierten Glasrohr untersucht. Nitratproben wurden anschließend verschiedenen UV-Lichtquellen ausgesetzt, um die Stickoxidbildung zu messen – sowohl mit als auch ohne braunen Kohlenstoff.
Ergebnisse der Photolyse-Experimente
- Bei hartem UV-Licht (mit energiereichem Ultraviolettanteil) bildeten sich Stickoxide, was bereits bekannt ist. Die Proben mit braunem Kohlenstoff zeigten jedoch eine deutlich erhöhte Stickoxidproduktion.
- Unter weichem UV-Licht konnte nur in Anwesenheit von braunem Kohlenstoff Stickoxid nachgewiesen werden.
Da eine direkte Photolyse unter weichem UV-Licht nicht möglich ist, schließen die Forschenden, dass der braune Kohlenstoff das Licht absorbiert, in einen angeregten Zustand versetzt wird und anschließend Elektronen an Nitrat abgibt. Dadurch wird Nitrat in Stickoxid umgewandelt. Dieser Mechanismus beschleunigt die Stickoxidbildung um das Zehnfache im Vergleich zur bekannten Photolyse mit hartem UV-Licht.
Bedeutung der Ergebnisse und Ausblick
Die Studie liefert einen klaren Nachweis für einen beschleunigten Photolyseweg von Nitrat zu Stickoxiden, vermittelt durch braunen Kohlenstoff aus Waldbränden. Dies verbessert das Verständnis der atmosphärischen Stickoxidquellen und unterstützt genauere Prognosen zu den Auswirkungen von Waldbränden auf Luftqualität und Klima.
Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um zusätzliche Entstehungsmechanismen von Stickoxiden zu identifizieren. Künftige Experimente sollen realistischere Bedingungen abbilden, beispielsweise durch die Verwendung des gesamten verbrannten Materials in Simulationskammern.
Kontakt und Publikation
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Markus Ammann
Center for Energy and Environmental Sciences
Paul Scherrer Institut PSI
Telefon: +41 56 310 40 49
E-Mail: markus.ammann@psi.ch
Originalpublikation:
F. Bao et al., „Brown carbon in biomass burning aerosol enhances HONO production“, Science Advances, 11.11.2026 (online)
DOI: 10.1126/sciadv.aeg9077
