Lauffeuerrauch und städtische Luftverschmutzung bringen das Schlimmste ineinander zum Vorschein.
Während Waldbrände wüten, verwandeln sie ihren verbrannten Brennstoff in einen komplexen chemischen Rauchcocktail. Viele dieser luftgetragenen Verbindungen, einschließlich Ozon, führen dazu, dass die Luftqualität sinkt, wenn der Wind den schwelenden Dunst über die Städte trägt. Aber wie genau – und in welchem Ausmaß – Waldbrandemissionen zu den Ozonwerten in Windrichtung der Brände beitragen, ist seit Jahren umstritten, sagt Joel Thornton, Atmosphärenforscher an der University of Washington in Seattle.
Eine neue Studie hat nun die schwer fassbare Chemie hinter der Ozonproduktion in Waldbrandfahnen enthüllt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Mischen von Waldbrandrauch mit Stickoxiden – giftigen Gasen, die in Autoabgasen vorkommen – die Ozonwerte in städtischen Gebieten erhöhen könnte, berichten Forscher am 8. Dezember in Wissenschaftliche Fortschritte.
Atmosphärisches Ozon ist ein Hauptbestandteil von Smog, der bei Menschen und Wildtieren Atemprobleme auslösen kann (SN: 1/4/21). Viele Inhaltsstoffe für die Ozonherstellung – wie flüchtige organische Verbindungen und Stickoxide – können im Rauch von Waldbränden gefunden werden, sagt Lu Xu, ein Atmosphärenchemiker, der derzeit am Chemical Sciences Laboratory der National Oceanographic and Atmospheric Administration in Boulder, Colorado, arbeitet. Aber eine Liste der Inhaltsstoffe ist nicht genug, um das Ozonrezept eines Lauffeuers zu replizieren. Also stiegen Xu und Kollegen in den Himmel, um die Chemie in Aktion zu beobachten.
Durch ein gemeinsames Projekt mit NASA und NOAA arbeiteten die Forscher mit der Flugkampagne Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality zusammen, um einen Jetliner in ein fliegendes Labor zu verwandeln. Im Juli und August 2019 sammelte das Flugteam Luftproben aus schwelenden Landschaften im Westen der USA. Als das Flugzeug kopfüber durch die Nebelschwaden flog, zeichneten Instrumente an Bord die Arten und Mengen jedes Moleküls auf, das im Dunst entdeckt wurde. Das Team analysierte auch, wie sich die chemische Zusammensetzung der Rauchwolke im Laufe der Zeit veränderte, indem es den Rauch ein- und ausschob, während er von den Flammen in Windrichtung trieb.
Unter Verwendung dieser Messungen zusammen mit den Windmustern und dem Brennstoff jedes einzelnen Waldbrands erstellten die Forscher eine einfache Gleichung zur Berechnung der Ozonproduktion aus Waldbrandemissionen. „Wir nahmen eine komplexe Frage und gaben eine einfache Antwort“, sagt Xu, der die Arbeit während seiner Zeit bei Caltech erledigte.
Wie erwartet, stellten die Forscher fest, dass die Emissionen von Waldbränden neben anderen Molekülen, die zur Ozonbildung beitragen, eine schwindelerregende Vielfalt organischer Verbindungen und Stickoxid-Spezies enthalten. Ihre Analyse zeigte jedoch, dass die Konzentration von Stickoxiden in den Stunden abnimmt, nachdem die Plume in Windrichtung gefegt wurde. Ohne diesen Schlüsselinhaltsstoff verlangsamt sich die Ozonproduktion erheblich.
Die Luftverschmutzung durch Städte und andere städtische Gebiete ist voller schädlicher Gase. Wenn also Waldbrandrauch über Stadtlandschaften weht, könnte ein Schub von Stickoxiden die Ozonproduktion wieder ankurbeln, sagt Xu.
In einer typischen Feuersaison könnten Mischungen wie diese die Ozonwerte im Westen der Vereinigten Staaten um bis zu 3 Teile pro Milliarde erhöhen, schätzen die Forscher. Diese Konzentration liegt weit unter dem Gesundheitssicherheitsstandard der US-Umweltschutzbehörde von 70 Teilen pro Milliarde, aber der schrittweise Anstieg könnte immer noch ein Gesundheitsrisiko für Menschen darstellen, die regelmäßig Rauch ausgesetzt sind, sagt Xu.
Da der Klimawandel die Häufigkeit und Intensität von Waldbränden erhöht, hat dieser neue Ozonproduktionsmechanismus wichtige Auswirkungen auf die Luftqualität in Städten, sagt Qi Zhang, ein Atmosphärenchemiker an der University of California, Davis, der nicht an der Studie beteiligt war (SN: 18.09.20). Sie sagt, die Arbeit stelle ein „wichtiges fehlendes Glied“ zwischen den Emissionen von Waldbränden und der Ozonchemie dar.
Die Ergebnisse könnten auch für umweltpolitische Entscheidungsträger eine Herausforderung darstellen, sagt Thornton, der nicht an der Forschung beteiligt war. Obwohl staatliche und lokale Behörden strenge Vorschriften zur Begrenzung des atmosphärischen Ozons erlassen, könnte Waldbrandrauch diese Strategien untergraben, sagt er. Dies könnte es Städten, insbesondere im Westen der USA, erschweren, trotz Luftqualitätsvorschriften die EPA-Ozonstandards einzuhalten.