Wie stabil sind die Selbstreinigungskräfte der Erdatmosphäre?

Max-Planck-Forscher weisen darauf hin, dass die scheinbar konstante Reinigungsfähigkeit der Atmosphäre regional sehr unterschiedlich ist

17. Januar 2003

Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz sowie der Universitäten Utrecht/Niederlande und East Anglia/ Großbritannien berichten in der Fachzeitschrift Nature über den globalen Trend des Hydroxyl-Radikals (OH), das als "Reinigungsmittel" für die Atmosphäre betrachtet wird. Die Analyse beruht auf indirekten Schätzungen unter Verwendung von Methylchloroform, einem industriellen Lösungsmittel, als Tracergas. Die Ergebnisse zeigen, dass die globalen OH-Veränderungen viel geringer sein müssen als bisher angenommen (Nature, 9. Januar 2003). Dieser Befund steht im Widerspruch zu Behauptungen, die OH-Konzentrationen und damit die Selbstreinigungsfähigkeit der Atmosphäre habe in den letzten zehn Jahren stark abgenommen. Gleichzeitig stellten die Forscher jedoch fest, dass eine große globale Umverteilung von OH-Radikalen stattfindet, wobei insbesondere die Reinigungsfähigkeit der Atmosphäre über den Ozeanen vermindert wird (Journal of Geophysical Research 107, 10.1029/2002JD002272, 2003).

Die Lebensdauer der meisten natürlichen und durch menschliche Tätigkeiten erzeugten Gase in der Atmosphäre hängt ab von ihrer Oxidation zu löslichen Verbindungen, die anschließend aus der Atmosphäre "ausgewaschen" werden. Diese Oxidation wird durch Hydroxyl-Radikale (OH) ausgelöst, die man deshalb auch als "Waschmittel" für die Atmosphäre bezeichnet. Den Umfang der globalen OH-Konzentrationen bestimmt man aus Langzeitmessungen des Spurengases Methylchloroform (CH3CCl3), einer Chlorverbindung, die zum Schutze der Ozonschicht unter den Bann des Montrealer Protokolls (1987) gestellt wurde. Da Methylchloroform durch Oxidation mit OH weitgehend aus der Atmosphäre entfernt wird, kann die globale OH-Konzentration in der Atmosphäre in einer einfachen Budget-Rechnung bestimmt werden, der die gemessene Methylchloroform-Konzentration und ihre abgeschätzte Quelle zu Grunde liegt. Die gemessene Konzentration an Methylchloroform hängt davon ab, wie viel durch Emissionen nachgeliefert wird und wie viel durch OH-Radikale verbraucht wird. Höhere Emissionen bei gleicher Konzentration an Methylchloroform entsprechen daher einer höheren Konzentration an OH-Radikalen. Auf Grundlage von Messungen der Methylchloroform-Emission und -konzentration seit 1979 ging man bisher davon aus, dass sich die OH-Konzentration in den vergangenen zwei Dekaden beträchtlich verändert haben muss. Dies würde bedeuten, dass auch die Selbstreinigungsfähigkeit der Atmosphäre nicht stabil gegen Störungen wäre.

Zonen mit mittleren Hydroxyl(OH)-Konzentrationen (in Million Radikalen pro Kubikzentimeter) in Abhängigkeit von der Höhe und der geographischen Breite, berechnet mit einem globalen, dreidimensionalen Chemie-Transport-Modell. Das Modell wurde durch Simulationen der Anteile von Methylchloroform, das größtenteils mit OH reagiert, getestet. Danach sind die globalen OH-Konzentrationen, also die Oxidationsfähigkeit der Atmosphäre, in den Tropen und während des Sommers (NH = Nordhemisphäre) am höchsten.

Die Ergebnisse der Atmosphärenforscher zeigen jetzt, dass frühere, aus Methylchloroform-Messungen abgeleitete Schätzungen der OH-Konzentration erheblich korrigiert werden müssen. Neueste Messungen belegen, dass die Methylchloroform-Emissionen tatsächlich wesentlich höher sind als bisher angenommen. Daraus folgt, dass die globale OH-Konzentration seit 1990 nicht sehr stark zurückgegangen sein kann. Das ist die gute Nachricht.

In einem zweiten Artikel, der gleichzeitig im Journal of Geophysical Research erschienen ist, stellen die Max-Planck-Forscher jedoch fest, dass im letzten Jahrhundert auf Grund der zunehmenden vom Menschen verursachten Emissionen von Methan und Kohlenmonoxid tatsächlich eine Zerstörung von OH-Radikalen insbesondere in der Atmosphäre über den Ozeanen stattgefunden hat, auch wenn die globale OH-Konzentration in der Atmosphäre scheinbar konstant geblieben ist. Dieser direkte Verlust an Selbstreinigungskräften in bestimmten Regionen wurde in anderen Regionen "kompensiert", wo die Verschmutzung durch Stickoxide stärker und deshalb die OH-Konzentration höher ist. Somit vollzieht sich im Hintergrund einer weltweit scheinbar konstanten OH-Konzentration eine große globale Umverteilung von OH-Radikalen, die einher geht mit Ozonsmog und verschmutzter Luft auf der einen und einer verminderten Reinigungsfähigkeit der Atmosphäre über den Meeren auf der anderen Seite.

In den Tropen, wo die Konzentration des OH-Radikals und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre am höchsten ist (vgl. Abb.), wird die Verschmutzung durch Schadstoffe in Zukunft wahrscheinlich noch zunehmen. Von daher, betonen die Forscher, sei es extrem wichtig, in den Entwicklungsländern zu verhindern, dass die Luftverschmutzung durch Stickoxide und reaktive Kohlenstoffgase aus dem Verkehr und anderen Verbrennungsprozessen noch weiter zunimmt.

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