Reinigung der Atmosphäre

Intakte Regenwälder reinigen die Atmosphäre wie indirekte Luftfilter, indem sie atmosphärische Hydroxylradikale regenerieren, die verunreinigende Gase aus der Luft entfernen.

Dass die Tropen die Atmosphäre reinigen und das Klima regeln, ist schon lange bekannt. Doch nach welchen Mechanismen funktioniert dies? Dazu muss man sich die Atmosphärenchemie unmittelbar über den Regenwäldern mal genauer anschauen.

Dort herrscht nämlich eine bemerkenswert hohe Konzentration von Hydroxylradikalen. Diese äußerst reaktiven Moleküle entfernen verunreinigende Gase aus der Atmosphäre. Bislang war nur bekannt, dass der Regenwälder große Mengen an Kohlenwasserstoffgasen freisetzen, die diese Hydroxylradikale verbrauchen und dadurch die Reinigungskraft der Atmosphäre theoretisch vermindern. Tatsächlich sind intakte Regenwälder eine gewaltige Kohlenwasserstoffquelle. Natürliche chemische Prozesse bewirken aber, dass die Hydroxylradikale - das "Reinigungsmittel" der Atmosphäre - regeneriert werden.

Pflanzen und Bäume emittieren jährlich mehr als eine Gigatonne flüchtiger organischer Verbindungen. Davon sind etwa 40% Isoprene. Diese gasförmigen chemischen Verbindungen, die zu den Terpenen zählen, schützten die Pflanzen vermutlich vor dem Austrocknen. Die Menge an Kohlenwasserstoffen, die von Pflanzen stammt, übersteigt um ein Vielfaches die Menge, die von anthropogenen Quellen herrührt.

Offenbar werden durch natürliche Oxidation der Isoprene in unberührter Atmosphäre die Hydroxylradikale sehr effizient recycelt. In verschmutzter Luft mit höheren Gehalten an Stickoxiden führt diese Oxidation dagegen zum photochemischen Smog unter Bildung von Ozon und anderen Schadstoffen.

Die Ergebnisse geben somit auch Anlass zur Beunruhigung: Da die Zerstörung des Ökosystems durch die Abholzungen und die landwirtschaftliche, städtische und industrielle Entwicklung in den Tropen weiter fortschreitet, verändert dies auch die äußerst wirksame natürliche Selbstreinigungskraft der Luft, die Verunreinigungen steigen und tragen damit zum Klimawandel bei. Ohne den Einfluss des Menschen jedoch würde der Wald in bemerkenswerter Weise das Gleichgewicht mit seiner atmosphärischen Umgebung aufrechterhalten.

Gewitter wirken wie Staubsauger

Regenwälder dünsten riesige Mengen von gasförmigem Isopren aus. Bislang galt, dass dieses Molekül nicht weit in der Atmosphäre verbreitet wird, da es unter Lichteinwirkung rasch zerfällt. Doch nächtliche Gewitter können das Isopren in bis zu 15km Höhe transportieren. Dort reagiert es zu chemischen Verbindungen, die in der Lage sind, große Mengen neuer Aerosolpartikel zu bilden. Diese wachsen weiter an und tragen als Kondensationskeime zur Bildung von Wolken bei. Der Mechanismus dürfte auch Auswirkungen auf das Klima haben. Schätzungen zufolge geben Pflanzen pro Jahr weltweit 500 bis 600 Millionen Tonnen Isopren in ihre Umgebung ab, es macht damit etwa die Hälfte der gesamten Emissionen von gasförmigen organischen Verbindungen der Pflanzen aus. Allein der Amazonas-Regenwald ist für mehr als ein Viertel dieser Emissionen verantwortlich.

Bislang dachte man, dass dieses Isopren rasch abgebaut wird und nicht in höhere Luftschichten gelangt. Denn tagsüber bilden sich unter dem Einfluss der Sonne in der bodennahen Atmosphäre sogenannte Hydroxylradikale. Diese sind sehr reaktionsfreudig und zerstören die Isopren-Moleküle binnen Stunden. Aber auch nachts sind noch erhebliche Mengen Isopren im Regenwald vorhanden. Und diese Moleküle können zu einem erheblichen Teil in höhere Atmosphärenschichten befördert werden.

Verantwortlich dafür sind tropische Gewitter, die sich nachts über dem Regenwald zusammenbrauen. Sie saugen das Isopren wie ein Staubsauger an und verfrachten es in 8 bis 15km Höhe. Sobald die Sonne aufgeht, entstehen Hydroxyl-Radikale, die mit dem Isopren reagieren. Bei den extrem niedrigen Temperaturen, die dort herrschen, werden die Isopren-Moleküle dadurch aber in andere Verbindungen umgewandelt als am Boden. Sie verbinden sich mit Stickoxiden, die in den Gewittern durch Blitzeinwirkung entstehen. Viele dieser Moleküle können sich dann zu winzigen Partikeln von nur wenigen Nanometern Größe zusammenlagern, den Aerosolpartikeln. Diese Partikel wiederum wachsen im Laufe der Zeit an und dienen dann als Kondensationskeime für Wasserdampf – sie spielen damit eine wichtige Rolle für die Bildung von Wolken in den Tropen.

Isoprene bewirken wahrscheinlich auch klimarelevante chemische Prozesse in der Atmosphäre über dem Ozean durch Einflussnahme auf die Bildung von Wolken, ausgelöst vom Sonnenlicht. Die Bildung der Aerosolpartikel wird dabei schon durch extrem geringe Mengen von Schwefelsäure und Jod-Oxosäuren, die in der Atmosphäre häufig vorkommen, um den Faktor 100 beschleunigt. Diese Prozesse sind bei der Vorhersage von Klimaveränderungen und deren Folgen mit großer Unsicherheit behaftet.