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Erster Nachweis neuer Fluorkohlenwasserstoffe in der Atmosphäre

12.02.2007
Kaum produziert und in die Atmosphäre entlassen, können neue Luftschadstoffe auch schon von Empa-Forschern aufgespürt werden. Immer empfindlichere umweltanalytische Messgeräte machen dies möglich, wie zwei kürzlich veröffentlichte Studien eindrücklich zeigen.

Umweltwissenschaftlern der Empa gelang es erstmals, zwei neue halogenierte Schäummittel in Messungen auf dem Jungfraujoch nachzuweisen. Dies erlaubt Abschätzungen der weltweiten Emissionen dieser klimawirksamen Substanzen und liefert so Informationen, die wesentlich sind für ein besseres Verständnis der chemischen Prozesse in der Atmosphäre und der Rolle dieser Substanzen bei der Klimaerwärmung. Die beiden Substanzen sind zwar erst in relativ geringen Mengen in der Atmosphäre, zeigen aber einen rasanten Anstieg.

Das 1987 in Kraft getretene Montreal-Protokoll führte zu einem stufenweisen Verbot bestimmter, die Ozonschicht zerstörender halogenierter Kohlenwasserstoffe wie die berüchtigten "Ozonkiller" FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe). Diese wurden unter anderem als Schäummittel in der Kunststoffindustrie verwendet, etwa zur Herstellung von Isolations- oder Verpackungsschaumstoffen. Daher war die Industrie gezwungen, regelmässig Ersatzstoffe einzuführen. Auf die FCKW folgten die so genannten HFCKW mit geringerem Chloranteil, die in der Zwischenzeit in Europa ebenfalls verboten sind. Derzeit ist die "3. Generation" von Schäummitteln auf dem Markt, die Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), die kein Chlor mehr enthalten und daher die Ozonschicht nicht angreifen. Einen Haken hat die Sache indes: FKW wirken wie das klassische Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) klimaerwärmend, manche sogar bis zu 10'000-mal stärker.

"Spürnase" für Luftfremdstoffe auf dem Jungfraujoch

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Um den Beitrag der FKW zur Klimaerwärmung, aber auch ihren chemischen Umsatz in der Atmosphäre besser zu verstehen, müssen die Mengen dieser Substanzen in der Atmosphäre abgeschätzt werden können. Dies ist vor allem zu Beginn des "Lebenszyklus" einer Substanz schwierig, wenn Produktionsmengen und Emissionen gering sind. So beispielsweise für die beiden Schäummittel Pentafluorpropan (im Fachjargon FKW-245fa bzw. auf englisch HFC-245fa genannt) und Pentafluorbutan (FKW-365mfc bzw. engl. HFC-365mfc). "Wir wussten, dass diese Substanzen seit 2002 bzw. seit 2003 produziert werden. Die Frage war nun: Ist das auch in der Atmosphäre zu sehen und wenn ja, wann?" sagt Empa-Forscher Martin Vollmer.

Eine Aufgabe für die hoch empfindlichen Messgeräte der Empa in der Forschungsstation Jungfraujoch. Aufgrund ihrer hochalpinen und zentralen Lage inmitten des stark industrialisierten Europas und der geringen lokalen Verschmutzung eignet sie sich besonders gut für die Erforschung von Schadstoffemissionen. Aber auch Luftproben von Partnerstationen innerhalb des weltweiten AGAGE-Messsnetzes ("Advanced Global Atmospheric Gases Experiment") - etwa von Mace Head an der Westküste Irlands und von Cape Grim in Tasmanien - haben Vollmer und sein Kollege Stefan Reimann zusammen mit ihren australischen und europäischen AGAGE-Kollegen auf Spuren der neuen FKW untersucht.

Gleichzeitig hat das Empa-Team die Luftproben auf Emissionen der inzwischen in Europa verbotenen Substanz FCKW-11 (engl. CFC-11, ein seit 1995 verbotenes Schäummittel der 1. Generation) analysiert sowie auf deren zeitweiligen Ersatz, HFCKW-141b (engl. HCFC-141b, ein seit 2003 verbotenes Schäummittel der 2. Generation).

Fazit der vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) mitfinanzierten Untersuchung, die vor kurzem in den Wissenschaftsmagazinen "Geophysical Research Letters" und "Environmental Science and Technology" veröffentlicht wurde: Kaum produziert, lassen sich die Substanzen von den Empa-Forschern auch schon nachweisen - und zwar in kleinsten Mengen. Die Konzentration der beiden FKW befindet sich im "ppq"-Bereich (von engl. "parts per quadrillion"). Das bedeutet: Ein Teilchen der Substanz X auf eine Billiarde Teilchen Luft, also eine Million mal eine Milliarde. "Das können nicht viele Labors, dazu müssen wir extrem sauber arbeiten, um selbst minimale Verunreinigungen zu vermeiden", sagt Reimann nicht ohne Stolz. Auch in Tasmanien seien die ausschliesslich auf der Nordhalbkugel produzierten und verarbeiteten Stoffe bereits zu finden. "Wenn bei uns im Norden eine Substanz in die Atmosphäre geblasen wird, ist sie rund ein Jahr später auf der Südhalbkugel nachweisbar", so Reimann.

Geringe Mengen an FKW - aber mit stark zunehmender Tendenz

Insgesamt seien die globalen Emissionen der beiden Substanzen noch relativ gering. "Bei den derzeitigen Mengen fallen sie als Klimagase im Vergleich zu CO2 oder Methan kaum ins Gewicht", sagt Martin Vollmer. Und das obwohl die beiden Substanzen sich zwischen 800- und 1000-mal stärker auf das Klima auswirken als CO2. Setzen sich die Trends fort, könnten FKW jedoch in Zukunft eine wichtigere Rolle in der Klimaproblematik spielen. Denn die Emissionen der beiden FKW-Schäummittel stiegen in den letzten Jahren massiv an. FKW-245fa etwa war 2002 in der Atmosphäre noch nicht nachweisbar. Nur ein Jahr später ergaben die Empa-Messungen globale Emissionen von rund 2200 Tonnen; im Jahr 2005 waren es bereits 5500 Tonnen. Ähnlich sieht es bei FKW-365mfc aus, von 600 Tonnen im Jahr 2002 auf rund 3200 Tonnen im Jahr 2005. "Das ist das erste Mal, dass wir neu auftauchende Luftfremdstoffe quasi in 'Echtzeit' beobachten können", erklärt Reimann. "Damit steht uns ein ausgezeichnetes Früherkennungssystem zur Verfügung, das uns die Möglichkeit gibt, Trends frühzeitig zu erkennen und vorausschauend zu handeln."

Im Gegensatz zu den beiden "Neulingen" sinken die Emissionen der inzwischen verbotenen FCKW-11 und HFCKW-141b. Erstaunlich dabei ist, dass selbst 12 Jahre nach dem Verbot von FCKW-11 jedes Jahr noch circa 3000 Tonnen allein aus Europa in die Atmosphäre gelangen, beispielsweise durch diffuse Ausgasung aus verbauten Schäumen. "Das zeigt, dass insgesamt enorm viel FCKW-11 produziert wurde"; sagt Vollmer.

Und woher kommen die Schadstoffe?

Die Messstation Jungfraujoch bietet noch einen weiteren Vorteil: Kombinieren die Empa-Forscher die dort gesammelten Daten der langjährigen Messreihen mit meteorologischen Modellen, können sie die Luftschadstoffe zu ihren Quellen zurückverfolgen. Dabei erlebten sie laut Reimann "die grösste Überraschung, seit wir da oben messen." Gemäss dem von den Empa-Forschern benutzten "Trajektorienmodell" sollte sich die Hauptemissionsquelle von FKW-365mfc mitten in Frankreich befinden. Ein Blick auf die Karte bestätigte den Befund: Genau dort befindet sich die einzige Fabrik, in der die Substanz hergestellt wird. Als zweite Emissionsquelle ermittelte das Modell ebenso zuverlässig die Po-Ebene in Norditalien, wo ein Grossteil der Schäummittel zur Schaumstoffproduktion eingesetzt wird. "Rund ein Drittel der eingesetzten FKW gelangen beim Verarbeitungsprozess in die Atmosphäre", sagt Empa-Kollege Vollmer.

Idealerweise würden ausschliesslich nicht-klimawirksame Schäummittel verwendet. Die gibt es zwar, etwa Pentan oder Stickstoff. Meist weisen die Ersatzstoffe aber nicht alle gewünschten Eigenschaften auf; so isolieren sie etwa schlechter als FKW. Diese werden also auch weiterhin auf dem Jungfraujoch auftauchen und die Empa-Messinstrumente zum "Ausschlagen" bringen. Derzeit arbeitet Reimanns Team an der Entwicklung eines Analysegeräts, das sogar noch mehr Substanzen noch präziser messen kann.

Publikationen

Vollmer, M. K., Reimann, S., Folini, D., Porter, L. W. and Steele, L. P. (2006). First appearance and rapid growth of anthropogenic HFC-245fa (CHF2CH2CF3) in the atmosphere. Geophysical Reserach Letters 33 L20806 doi:10.1029/2006GL026763.

Stemmler, K.; Folini, D.; Ubl, S.; Vollmer, M. K.; Reimann, S.; O'Doherty, S.; Greally, B. R.; Simmonds, P. G.; Manning, A. J., European Emissions of HFC-365mfc, a Chlorine-Free Substitute for the Foam Blowing Agents HCFC-141b and CFC-11, Environ. Sci. Technol.; (Article); 2007; ASAP Article; DOI: 10.1021/es061298h

Fachliche Informationen

Dr. Martin Vollmer, Luftfremdstoffe/Umwelttechnik, Tel. +41 44 823 4242, martin.vollmer@empa.ch

Dr. Stefan Reimann, Luftfremdstoffe/Umwelttechnik, Tel. +41 44 823 46 38, stefan.reimann@empa.ch

Redaktion
Dr. Michael Hagmann, Kommunikation, Tel. +41 44 823 4592, michael.hagmann@empa.ch

Rémy Nideröst | idw
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch/climate_gases

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