Luftqualität im südlichen Afrika: Neue Studie untersucht Einfluss von Ruß-Emissionen

Ruß ist ein Luftschadstoff, der die menschliche Gesundheit schädigt und zudem zu einer wärmeren Erdatmosphäre beiträgt. Es wird bei Verbrennungsprozessen ausgestoßen, zum Beispiel in der Industrie, von Kraftwerken und Dieselmotoren, durch die Verbrennung von Holz und Müll sowie bei Wald- und Grasflächenbränden. Im südlichen Afrika ist der Ballungsraum Johannesburg/Pretoria besonders stark von Luftverschmutzung betroffen. Zu den Hauptquellen der Schadstoffe zählen dort Kohlekraftwerke, offene Feuer und Savannen-Brände. In den letzten Jahren wurden verschiedene Aktivitäten initiiert, die zum Ziel haben, die Luftqualität besser zu erforschen. Ein Beitrag dazu ist eine am IASS durchgeführte Modellstudie, die sich mit dem von Menschen ausgestoßenen („anthropogenen“) Ruß beschäftigt – die erste dieser Art im südlichen Afrika. Die Studie präsentiert und bewertet einen Aufbau für Modellierung von Luftqualität in Südafrika und analysiert den Beitrag anthropogener Emissionen an den Ruß-Konzentrationen. Sie erschien kürzlich in der Fachzeitschrift „Atmospheric Chemistry and Physics“.

Das südliche Afrika. Die Modellstudie wurde für das gesamte auf der Karte farbig markierte Gebiet durchgeführt. © Friderike KuikDas südliche Afrika. Die Modellstudie wurde für das gesamte auf der Karte farbig markierte Gebiet durchgeführt. © Friderike Kuik

Zu den ausgestoßenen Mengen von Ruß und anderen Schadstoffen in Südafrika liegen bereits Daten vor. Jedoch ist für die Luftqualität an einem Ort besonders entscheidend, was in der Luft mit diesen Emissionen passiert. „Die letztendliche Menge von Ruß in der Atmosphäre an einem konkreten Ort hängt von vielen Faktoren ab: Nicht nur die Menge der lokalen Emissionen spielt eine Rolle, sondern auch die Menge an Schadstoffen, die von anderswo herantransportiert wird. Außerdem sind die vorherrschenden Wetterbedingungen entscheidend. Zur Anhäufung von Schadstoffen an einem Ort führen beispielsweise sogenannte stabile Bedingungen. Unter diesen findet kaum Austausch von verschmutzter Luft mit sauberer Luft, zum Beispiel aus höher gelegenen Schichten der Atmosphäre oder aus sauberen, ländlichen Gegenden, statt“, erläutert Friderike Kuik, Doktorandin am IASS und Hauptautorin der Studie. Ein Ergebnis ihrer Arbeit ist, dass bis zu 100 Prozent des Rußes in der Luft in den Städten des südlichen Afrika durch Menschen verursacht wird. Außerdem trägt Ruß in Gebieten mit großen Savannen-Bränden während der Brände zur Erwärmung der Atmosphäre bei.

Für die Modellstudie wurde das „Weather Research and Forecasting Model“ (WRF-Chem) verwendet, ein frei zugängliches Wetter- und Forschungsmodell. Die Modellergebnisse wurden zur Validierung mit Messdaten verglichen. Dazu gehören Daten der Messstation Welgegund, die von der North-West University South Africa, der University of Helsinki und dem Finnish Meteorological Institute etwa 100 Kilometer westlich von Johannesburg im ländlichen Raum eingerichtet wurde. Die Datenlage zur Luftqualität hat sich in den vergangenen Jahren auch dank der Ausdehnung des bestehenden Luftqualitätsmessnetzes des Südafrikanischen Wetterdienstes verbessert.

Die Messstation in Welgegrund. Die Messstation in Welgegrund.

Die Wissenschaftler untersuchten für ihre Studie einen Zeitraum von vier Monaten im Jahr 2010, für den die Welgegund-Station Rußdaten lieferte. Sie simulierten zunächst die tatsächliche Entwicklung der Luftqualität anhand der verfügbaren Emissionsdaten. Dann setzten sie in einer zweiten Simulation alle anthropogenen Ruß-Emissionen auf Null und beobachteten, wie sich dies auf die Luftqualität auswirkte. Die Erkenntnis, dass der größte Teil des Rußes im Großraum Johannesburg/Pretoria aus anthropogenen Quellen stammt, ist ein Schritt in Richtung gezielter Maßnahmen.  

Die Arbeit an dieser Studie fand überwiegend im Rahmen der Masterarbeit von Friderike Kuik statt, die sie im Herbst 2014 einreichte. Die Studie wurde durchgeführt in Zusammenarbeit mit dem ehemaligen IASS-Wissenschaftler Axel Lauer (jetzt am Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt), mit Paul Beukes, Pieter Van Zyl und Micky Josipovic von der North-West University in Südafrika, Ville Vakkari und Lauri Laakso vom Finnish Meteorological Institute und Gregor Feig vom Südafrikanischen Wetterdienst.

Artikel:

16.11.2015