Die Atmosphäre reinigt sich besser als befürchtet

Die Konzentration der Schadstoff abbauenden Hydroxylradikale in der Luft bleibt weltweit stabil

Die Erdatmosphäre reagiert weniger empfindlich auf Schadstoffe, als einige Forscher bislang fürchteten. Die Konzentration der Hydroxylradikale in der Atmosphäre hat sich in den vergangenen Jahren nämlich kaum verändert, wie ein internationales Forscherteam herausgefunden hat, an dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz beteiligt waren. Hydroxylradikale reinigen die Luft, weil sie organische Stoffe wie etwa das klimaschädliche Methan abbauen. Da diese Selbstreinigungskraft in den letzten Jahren kaum schwankte, gehen die Forscher davon aus, dass sie zumindest durch bisherige Umweltveränderungen nur geringfügig beeinträchtigt wird. Sie widerlegen damit die Auffassung anderer Wissenschaftler, die die Atmosphäre für sehr empfindlich gegenüber Luftschadstoffen hielten. Die Ergebnisse der Studie werden in einer internationalen Telefon-Pressekonferenz am Donnerstag, den 6. Januar 2011 um 19:00 Uhr deutscher Zeit vorgestellt. (Science, 7. Januar 2011)

Wie sich unsere Erdatmosphäre von Luftverschmutzungen und schädlichen Gasen reinigt, wird nun klarer. Mit ihrer aktuellen Studie hat ein internationales Forscherteam um Wissenschaftler der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in den USA und des Max-Planck-Instituts für Chemie einen wichtigen Schritt getan, um dieses Verständnis zu verbessern. Ihrer Untersuchung zufolge schwankt die weltweite Menge der Hydroxylradikale in der Luft von Jahr zu Jahr lediglich um wenige Prozent. Manche Forscher hatten angenommen, dass sie sich um bis zu 25 Prozent verändert.

Die Hydroxylradikale sind für die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre von zentraler Bedeutung, da sie die Luft von vielen gefährlichen Schadstoffen befreien. Die Radikale oxidieren Kohlenwasserstoffe, unter anderem das Treibhausgas Methan und Abgase aus Industrie und Verkehr, und machen sie damit wasserlöslicher, so dass sie abregnen können.

Jahrelang war allerdings unklar, wie gut die Atmosphäre tatsächlich Schadstoffe oxidieren kann. Einige Untersuchungen legten bedenkliche Schlüsse nahe: Sie ließen vermuten, dass die Reinigungskraft sehr empfindlich auf Umweltveränderungen reagiert. „Nun wissen wir, dass diese lebenswichtige Eigenschaft unserer Erdatmosphäre, sich selbst von Schadstoffen zu reinigen, recht stabil ist“, sagt Steve Montzka, Erstautor der Studie und Forscher an der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), der Wetter- und Ozeanografiebehörde der USA.

Hydroxyl-Radikale werden recycled

„Wir haben zwar vorausgesagt, dass die Selbstreinigung gut gepuffert ist, beweisen konnten wir es aber erst durch jahrelange systematische Messungen und modernste Modellierungsverfahren“, sagt Jos Lelieveld, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie. „Unsere Ergebnisse machen die Vorhersagen des Klimas und der globalen Luftqualität zuverlässiger, weil wir die Zusammensetzung der Atmosphäre mit Computermodellen nun besser beschreiben können“, ergänzt der Initiator der Studie.

Das Hydroxylradikal besteht aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom. Es entsteht in erster Linie durch die vom Sonnenlicht ausgelöste Reaktion von Wassermolekülen und Ozon. Hydroxyl wird aber auch über verschiedene chemische Reaktionen „recycled“, so dass seine Menge stabil bleibt. Die Radikale liegen in der Erdatmosphäre in äußert geringen Konzentrationen vor und werden schnell gebildet, aber im Mittel auch nach etwa einer Sekunde wieder abgebaut, da sie schnell mit anderen Molekülen reagieren. Daher ist es sehr schwierig, die Konzentration genau zu bestimmen.

Um den Gehalt an Hydroxyl dennoch zu ermitteln, bedienen sich Wissenschaftler eines Tricks. Sie analysieren ein Molekül in der Atmosphäre, das mit Hydroxylradikalen reagiert, aber deutlich langlebiger und einfacher zu messen ist: die Chemikalie Methylchloroform. Methylchloroform wurde lange Zeit als Lösemittel in Farben, Klebstoffen und zur Reinigung verwendet. Es wird in der Atmosphäre in erster Linie durch die Reaktion mit Hydroxyl abgebaut. Seine Menge korreliert also mit der Hydroxylmenge in der Luft.

Nur ein reduzierter Schadstoffausstoß schützt das Klima dauerhaft

Diese Methode produzierte in den 1980er- und 1990er-Jahren allerdings stark variierende Schätzwerte, die Anlass zu großer Sorge gaben: Hohe Schwankungen der Radikalmengen würden nämlich bedeuten, dass die Selbstreinigungsfähigkeit der Atmosphäre sehr empfindlich auf natürliche oder vom Menschen verursachte Veränderungen der Atmosphäre reagiert. Doch der Grund für die voneinander abweichenden Ergebnisse für die Hydroxylkonzentrationen lag in den andauernden, schwer abschätzbaren Emissionen von Methylchloroform.

Erst in Folge des Montreal-Protokolls zum Schutz der Ozonschicht endete die Produktion von Methylchloroform ab Mitte der 1990er-Jahre. Da die Forscher nun keine neuen Emissionen mehr berücksichtigen mussten, konnten sie von einem kontinuierlichen Abbau des vorhandenen Methylchloroforms ausgehen und die Hydroxylmenge in der Atmosphäre viel präziser ermitteln.

An neun verschiedenen Orten hat das Team von 1998 bis 2008 wöchentlich die Konzentration des Methylchloroforms gemessen, vor allem auf abgelegenen Inseln und Küstenstationen, wo die lokale Luftverschmutzung vernachlässigbar gering ist. Die Messungen fanden im Rahmen eines Programms der NOAA statt, in dem systematisch Luftproben gesammelt werden. Die Ergebnisse der Luftanalysen rechneten die Forscher in Modellierungen am Max-Planck-Institut für Chemie und an der Universität Wageningen in den Niederlanden auf die globale Methylchloroformmenge hoch.

Die Studie könnte einen jahrelangen Wissenschaftsstreit beenden, in dem die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre sehr kontrovers diskutiert wurde. „Es ist befriedigend, wissenschaftliche Fragen abschließend zu klären“, kommentiert der Atmosphärenforscher Lelieveld die Veröffentlichung im Science-Magazin. „Aber auch wenn wir nun einen Grund zur Sorge um unsere Atmosphäre weniger haben, sollten wir dennoch alles dafür tun, den Ausstoß von klimaschädlichen Gasen und Schadstoffen so weit wie möglich zu verringern. Nur so können wir unsere Atmosphäre schützen und weiteren Klimaveränderungen vorbeugen.“

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Über das Max-Planck-Institut für Chemie

Am Max-Planck-Institut für Chemie erforschen etwa 230 Mitarbeiter die Erde und ihr Umfeld in unterschiedlichen Größenbereichen, vom Nanopartikel bis zum Planeten und von der Ökosystemdynamik bis zum globalen Klimawandel. Drei Abteilungen untersuchen das Erdsystem in Feldstudien unter Laborbedingungen und mit Hilfe von computergestützten Modellsystemen. Somit trägt das Institut zum Verständnis der natürlichen Ressourcen der Erde bei und liefert notwendige Methoden für deren nachhaltige Nutzung und den Schutz der Umwelt. Mit einer International Research School und einem Max Planck Graduate Center beteiligt sich das Institut auch aktiv an der Wissenschaftsausbildung.

Über die “National Oceanic and Atmospheric Administration”

Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ist die Wetter- und Ozeanografie behörde der Vereinigten Staaten. Sie widmet sich dem Verständnis und der Vorhersage von Umweltveränderungen – von den Meerestiefen bis zur Sonnenoberfläche – und der Erhaltung und Pflege der Ressourcen von Küste und Meer.