Weltweit kommt es regelmäßig zu Feinstaubalarm

Komplizierte Prozesse in der Atmosphäre führen zur Bildung von gesundheitsgefährdendem Feinstaub.

Zwar wurde Anfang 2016 erstmalig auch in Deutschland Feinstaubalarm ausgegeben, von den Smog-Bildern, die uns immer mal wieder aus Peking erreichen, war Stuttgart allerdings weit entfernt. Dennoch können sich Luftverschmutzungen durch Aerosole und Treibhaussubstanzen wie Kohlenstoffdioxid, Methan oder Lachgas in Asien über Luftqualität-Klima-Wechselwirkungen auch auf Deutschland auswirken.

Generell ist Feinstaub gesundheitsgefährdend. Die sehr kleinen (wenige µm), festen und flüssigen Partikel der Luft können durch Einatmung in die Lunge gelangen. Zwei Korngrößen werden für die Beurteilung einer Gesundheitsgefährdung unterschieden: PM10 und PM2,5 (engl. Particulate Matter, also Feinstaub, die Zahl gibt die Korngröße in Mikrometer 1 µm = 0,001 mm an).

Feinstaub entsteht nicht nur durch Auto- und Industrieabgase, sondern bildet sich auch in der Luft durch die Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Stickoxiden. Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Sie sind in fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdöl und -gas aber auch in Pflanzen und in Stoffwechselprodukten von Mikroorganismen enthalten. Stickoxide hingegen sind Verbindungen aus Stickstoff und Sauerstoff z.B. Lachgas (N2O) oder Stickstoffmonoxid (NO). Insbesondere diese chemischen Reaktionen, die sich in der Atmosphäre abspielen, sind noch nicht vollständig verstanden.

Um insbesondere die chemischen Prozesse, die den Wintersmog u.a. in Chinas Hauptstadt Peking verursachen, besser zu verstehen, arbeiten Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich eng mit chinesischen Kollegen zusammen. Insbesondere Hydroxyl-Radikale und weitere bislang noch unbekannte Spurenstoffe werden im Projekt RACE (RAdical chemistry in ChinesE megacities) untersucht.

Radikale beschleunigen die Bildung von Smog
Im Großraum Peking mischen sich Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid und Stickoxide aus Industrieanlagen und Fahrzeugen mit biogenen Emissionen aus der Landwirtschaft (Ammoniumnitrate) und Bäumen (Isoprene, Terpene). In der Atmosphäre treffen sie auf Hydroxyl-Radikale. Radikale haben ein freies Elektron und sind deshalb besonders reaktionsfreudig. Das Hydoxyl-Radikal (OH-Radikal) entsteht unter Einwirkung von UV-Strahlung (kurzwelliges Sonnenlicht) aus Ozon und Wassermolekülen und spielt für chemische Prozesse in der Atmosphäre eine sehr wichtige Rolle. Da die Sonneneinstrahlung im Sommer höher ist als im Winter, unterscheiden sich die chemischen Prozesse je nach Jahreszeit, da viel Licht und höhere Temperaturen die chemischen Reaktionen beschleunigen.

Die Sonne ist demnach die treibende Kraft der Selbstreinigung in der Atmosphäre, da sie den Abbau von Luftschadstoffen begünstigt. Die Radikale wirken also insbesondere in den Sommermonaten als Waschmittel der Atmosphäre. Normalerweise liegen diese Radikale nur in winzigen Mengen in der Atmosphäre vor. Nimmt die Luftschadstoff-/Feinstaubbelastung allerdings zu, bilden sich nicht nur mehr Abbauprodukte, sondern auch mehr Radikale. Dieser Kreislauf beschleunigt sich. Weil gleichzeitig aber auch mehr Ozon gebildet wird, entsteht eine sogenannte Smog-Situation mit einer hohen Anzahl an Partikeln und hohen Ozonbelastungen (s. auch Forschungsthema: Ozon).

Unklar ist noc,h wie die photochemischen Prozesse im Winter ablaufen und ob es Prozesse gibt, die ohne Licht auskommen und trotzdem andere Stoffe oxidieren. Deshalb werden nun Hydroxyl-Radikale mit einem  laserinduzierten Fluoreszenzspektroskop (LIF) gemessen, das die kleinen Moleküle bei 308 Nanometern Wellenlänge anregt. Die Radikale emittieren UV-Licht – diese Intensität wird gemessen und entspricht der Menge der Radikale. Die so gewonnenen Daten helfen dann die numerischen Computersimulationen zu verbessern und das Verständnis über die chemischen Prozesse in der Atmosphäre zu überprüfen.

Text: Dr. Ute Münch, Wissensplattform "Erde und Umwelt", fachliche Durchsicht Prof. Astrid Kiendler-Scharr

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