Rauchpartikel von Waldbränden können in der Atmosphäre chemische Reaktionen auslösen, die zum Abbau der schützenden Ozonschicht beitragen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie, die Veränderungen in der Atmosphärenchemie nach den australischen Waldbränden von Dezember 2019 und Januar 2020 untersucht hat. Demnach aktivieren die Rauchpartikel Chlorverbindungen, die einst durch die Freisetzung von inzwischen verbotenen Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in die Atmosphäre gelangt sind. Wenn Waldbrände durch die Klimaerwärmung häufiger werden, könnte dies die Erholung der Ozonschicht gefährden.

Seit den 1930er Jahren kamen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) zum Einsatz, etwa als Treibgas für Sprühdosen und in der Herstellung von Schäumen, als Kühlmittel für Kühlschränke und Gefriertruhen oder als Reinigungsmittel. Doch in den 1980er Jahren stellte sich heraus, dass FCKWs die Ozonschicht schädigen, die die Erde vor der UV-Strahlung der Sonne schützt. Über dem Südpol hatte sich ein Ozonloch gebildet, das bis heute im antarktischen Frühjahr auftritt. Seit 1995 sind FCKWs deshalb in Industrienationen verboten, seit 2010 weltweit. Die schädlichen Chemikalien verbleiben aber noch für Jahrzehnte in der Atmosphäre und verlangsamen die Erholung der Ozonschicht.

Im Dezember 2019 und Januar 2020 brannten im Osten Australiens verheerende Buschfeuer. Mehrere Millionen Hektar Land gingen in Flammen auf und rund 900.000 Tonnen Rauch stiegen bis in die Stratosphäre auf. Satellitendaten zeigten, dass damit gravierende Veränderungen der Atmosphärenchemie einhergingen, darunter ein deutlicher Rückgang der Ozonwerte. Auf welche Weise der Rauch der Waldbrände allerdings der Ozonschicht schadete, war zunächst unklar.

Waldbrand-Aerosole starten chemische Kaskade

Ein Team um Susan Solomon vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hat nun aufgedeckt, welche chemischen Reaktionen durch die Rauchpartikel ausgelöst werden und zum Ozonabbau führen. „Wir kommen zu dem Ergebnis, dass das Aerosol der Waldbrände, das eine Mischung aus oxidierten organischen Stoffen und Schwefelverbindungen enthält, reaktive Chlorspezies in der Stratosphäre aktiviert, und so die Ozonabbauraten erhöht“, erklärt das Team.

Bereits 2022 hatten Solomon und ihr Team eine Studie veröffentlicht, der zufolge chlorhaltige Verbindungen, die ursprünglich in Form von FCKWs in die Stratosphäre gelangt waren, mit der Oberfläche von Waldbrand-Aerosolen reagieren können. Diese Wechselwirkung setzt eine chemische Kaskade in Gang, bei der Chlormonoxid entsteht – ein Molekül, das stark Ozon reagiert und es abbaut. „Aber das erklärt nicht alle Veränderungen, die in der Stratosphäre beobachtet wurden“, sagt Solomon. „Es gab eine ganze Reihe von chlorbezogenen chemischen Reaktionen, die völlig aus dem Ruder gelaufen sind.“

Reaktionen mit Salzsäure

Für die aktuelle Studie analysierten die Forschenden die Zusammensetzung der Moleküle in der Stratosphäre nach den Waldbränden genauer. Anhand von drei unabhängigen Sätzen von Satellitendaten stellten sie fest, dass nach den Bränden die Konzentration von Salzsäure (HCl) in der Stratosphäre in mittleren Breiten deutlich zurück ging, also in Regionen, die über Australien, Neuseeland und Teilen Afrikas und Südamerikas liegen. Gleichzeitig schnellten die Werte von Chlormonoxid (ClO) in die Höhe. „Die Tatsache, dass der HCl-Gehalt in den mittleren Breitengraden in einem noch nie dagewesenen Ausmaß abnahm, war für mich eine Art Gefahrensignal“, sagt Solomon.

Ebenso wie andere Chlorverbindungen ist auch das HCl in der Stratosphäre ein Abbauprodukt von FCKWs. Solange das Chlor jedoch in der Salzsäure gebunden ist, kann es der Ozonschicht nichts anhaben. Im antarktischen Winter kann die Verbindung auseinanderbrechen, wenn das Molekül bei sehr niedrigen Temperaturen mit der Oberfläche von Wolken in Kontakt kommt. Wenn dann im Frühjahr die Sonne in dieses Gebiet zurückkehrt, führen photochemische Reaktionen dieser Chlorradikale mit dem Ozon zum Ozonabbau und zur Bildung des Ozonlochs über dem Südpol. In mittleren Breiten bei wesentlich wärmeren Temperaturen sollten diese Reaktionen jedoch bisherigen Erkenntnissen zufolge nicht vorkommen.

Wettlauf mit der Zeit

Solomon und ihr Team wiesen allerdings nach, dass Rauchpartikel, die nach den Waldbränden über Monate hinweg in der Stratosphäre verbleiben, Verbindungen enthalten, die HCl auch ohne extreme Kälte aufspalten können. „Es sind die gealterten Rauchpartikel, die einen Großteil des HCl aufnehmen“, berichtet Solomon. „Erstaunlicherweise kommt es zu den gleichen Reaktionen wie beim Ozonloch, allerdings in mittleren Breiten und bei viel wärmeren Temperaturen.“ Als das Team diese neue chemische Reaktion in ein Modell der Atmosphärenchemie einbezog und die Bedingungen der australischen Waldbrände simulierte, beobachteten sie einen drei- bis fünfprozentigen Ozonabbau in der Stratosphäre in mittleren Breiten und eine zehnprozentige Vergrößerung des Ozonlochs über der Antarktis – ein Befund, der gut mit den in der Realität gemessenen Daten übereinstimmt.

„Die australischen Brände im Jahr 2020 waren ein echter Weckruf für die Wissenschaft“, sagt Solomon. „Die Auswirkung von Waldbränden wurde bisher in den Prognosen zur Erholung der Ozonschicht nicht berücksichtigt.“ Die aktuelle Studie zeigt jedoch, dass auch Rauchaerosole die Abbauprodukte von FCKWs in reaktive Chlorverbindungen verwandelt können. „Jetzt beginnt eine Art Wettlauf mit der Zeit“, sagt Solomon. “Wir können nur hoffen, dass die chlorhaltigen Verbindungen abgebaut werden, bevor die Häufigkeit von Bränden mit dem Klimawandel zunimmt. Das ist ein Grund mehr, wachsam gegenüber der globalen Erwärmung und diesen chlorhaltigen Verbindungen zu sein.“

Quelle: Susan Solomon (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, USA) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-022-05683-0

© wissenschaft.de – Elena Bernard