Selbstverstärkender chemischer Mechanismus erklärt extremen Wintersmog in China

Stickstoff- und Schwefeloxide reagieren an Aerosolpartikeln miteinander und können durch einen bisher unerkannten Mechanismus schnell zu hohen Feinstaubkonzentrationen führen.

Mainz, 20.12.2016

In Peking ist der gesundheitsschädliche Wintersmog oft besonders extrem und raubt die Sicht auf die Stadt und die Umgebung. Die hohen Feinstaubwerte entstehen durch einen bisher unbeachteten chemischen Mechanismus in Aerosolpartikeln. Quelle: Chunsheng Zhao, Peking University.
In Peking ist der gesundheitsschädliche Wintersmog oft besonders extrem und raubt die Sicht auf die Stadt und die Umgebung. Die hohen Feinstaubwerte entstehen durch einen bisher unbeachteten chemischen Mechanismus in Aerosolpartikeln. Quelle: Chunsheng Zhao, Peking University.

In kalten Wintermonaten sind Peking und große Teile Chinas regelmäßig von anhaltendem Smog eingehüllt. Dieser Smog besteht aus feinen Aerosolpartikeln und bedroht die Gesundheit von etwa 400 Millionen Menschen. Im Jahr 2013 wurden in Peking Rekordwerte von Feinstaub mit hohem Sulfatanteil gemessen. Dessen Quelle war jedoch lange ein Rätsel, da die Sonneneinstrahlung, die üblicherweise für die photochemische Produktion von Sulfat verantwortlich ist, aufgrund der Dunstglocke schwach ist.

Ein internationales Team unter Leitung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz konnte nun den Ursprung der hohen Sulfatanteile im Aerosolsmog aufdecken: Eine chemische Reaktion zwischen den Luftschadstoffen Stickstoffdioxid (NO2) und Schwefeldioxid (SO2) in wässrigen Aerosolpartikeln ermöglicht die schnelle Bildung und Ansammlung von Sulfat. Dieser Reaktionsweg ist unabhängig von Sonneneinstrahlung und photochemischen Reaktionen.  

Die Megastadt Peking an klaren Tagen. Quelle: Chunsheng Zhao, Peking University.
Die Megastadt Peking an klaren Tagen. Quelle: Chunsheng Zhao, Peking University.

In der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift „Science Advances“ zeigen die Forscher, dass das Wasser der Aerosole als Reaktionsmedium wirkt, in dem alkalische Komponenten der Aerosole Schwefeldioxid (SO2) aus der Luft aufnehmen. SO2 wird dann durch NO2 oxidiert und bildet Sulfat (SO42-). Dieser Mechanismus verstärkt sich selbst, da mit der Sulfatbildung die Partikelmasse zunimmt, und die Aerosolpartikel dadurch mehr Wasser aufnehmen können. Dieses wiederum führt zu einer schnelleren Sulfatproduktion und insgesamt zu einer stärkeren Smogbildung, als man bisher erklären konnte.  

Yafang Cheng, Gruppenleiterin am MPI für Chemie und ihre Kollegen führten eine genaue Analyse von Aerosolmessdaten aus dem Januar 2013 durch, als Peking besonders stark von Smog betroffen war. Das Ergebnis verblüffte die Wissenschaftler, denn die Sulfatproduktionsrate war in Zeiten des stärksten Smogs sechs Mal größer als in Zeiten niedrigen bis mäßigen Smogs. „Wir haben festgestellt, dass die Sulfatproduktion mit der Konzentration an feinen Aerosolpartikeln stark ansteigt“, erklärt die Erstautorin der Studie.

„Die von uns beobachtete, stark erhöhte Sulfatproduktion bei gleichzeitig geringer Sonneneinstrahlung wies auf die Existenz des bisher nicht beachteten Reaktionswegs im Aerosolwasser hin", erklärt Hang Su, ebenfalls Gruppenleiter am MPI für Chemie und kokorrespondierender Autor der Studie. „Die Reaktion von Stickstoff- und Schwefeloxiden im Aerosolwasser erklärt die fehlende Sulfatquelle im Wintersmog. Wasser ist eine Schlüsselkomponente atmosphärischer Aerosole, die eine breite Palette von Flüssigphasenreaktionen ermöglicht", fasst Hang Su zusammen.

Blick aus dem Fenster: Einmal mit und ohne Luftverschmutzung. Foto: Professor Min Shao, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University.
Blick aus dem Fenster: Einmal mit und ohne Luftverschmutzung. Foto: Professor Min Shao, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University.

Die globale Relevanz und Perspektive der bahnbrechenden Studie erläutert Ulrich Pöschl, Direktor am MPI für Chemie: „Die Ergebnisse zeigen, wie eng die Wechselwirkungen von Gasen, Flüssigkeiten und festen Substanzen in unserer Umwelt miteinander gekoppelt sind. Sie verdeutlichen auch, wie wichtig diese Prozesse für unser Verständnis von Klimawandel und Gesundheit im Anthropozän sind.“ Der Begriff Anthropozän bezeichnet das gegenwärtige Erdzeitalter, in dem die Umwelt global von menschlichen Einflüssen geprägt ist.

Originalpublikation:
Reactive nitrogen chemistry in aerosol water as a source of sulfate during haze events in China”: Yafang Cheng, Guangjie Zheng, Chao Wei, Qing Mu, Bo Zheng, Zhibin Wang, Meng Gao, Qiang Zhang, Kebin He, Gregory Carmichael, Ulrich Pöschl, Hang Su Science Advances, 21 Dec. 2016; DOI: 10.1126/sciadv.1601530

(Die Studie war im Dezember 2015 fertiggestellt und erstmals zur wissenschaftlichen Begutachtung und Veröffentlichung eingereicht worden.)