Angesichts der aktuellen Hitzeperioden rückt die Begrünung von Städten wieder vermehrt in den Mittelpunkt gesellschaftlicher Diskussionen: Bäume kühlen Stadtviertel, binden Feinstaub und absorbieren gasförmige Schadstoffe. Gleichzeitig können sie auch zur Bildung von Luftschadstoffen beitragen: Bei Hitze geben Bäume biogene flüchtige organische Verbindungen (BVOC) ab, die in Anwesenheit von Sonnenlicht und anthropogenen Stickoxiden (NOx) bodennahes Ozon bilden können.
Auch menschliche Aktivitäten verursachen flüchtige organische Verbindungen, die mit Stickoxiden reagieren und Ozon bilden: Anthropogene VOCs (AVOC) finden sich unter anderem in Lösungsmitteln, Lacken, Reinigungsmitteln und Kraftstoffdämpfen. Um dem Klimawandel Einhalt zu gebieten, werden diese zunehmend reguliert und Messreihen zeigen eine Abnahme der AVOC-Werte. Während dies eine positive Entwicklung darstellt, führen die steigenden Temperaturen zu höheren Baumemissionen, und eine vermehrte Begrünung der Städte erhöht den BVOC-Anteil zusätzlich.
Direkte Messungen zum Beitrag von Stadtbäumen zur Ozonbildung in urbanen Räumen waren bisher selten. Aktuelle Schätzungen stützen sich größtenteils auf Modelle, die für natürliche Ökosysteme entwickelt wurden. Aus diesem Grund richteten Forscher:innen der Jinan-Universität in China ein System zur direkten Emissionsmessung ein, installiert auf der 102 Meter hohen Plattform des Pekinger Wetterturms sowie in einem Labor an dessen Fuß. Von Mai bis Juli 2021 erfasste das System zehnmal pro Sekunde chemische Signale und Turbulenzschwankungen und hielt so den chemischen „Atem“ der Stadt in Echtzeit fest. In Zusammenarbeit mit einem Forschungsteam der Universität Innsbruck rund um den Atmosphärenphysiker Thomas Karl wurden die VOC-Emissionen quantifiziert und Quellen wie Bäumen, Verkehr, chemischen Produkten, Kochen und häuslichen Aktivitäten zugeordnet.
Isopren am reaktivsten, Hitze ausschlaggebend
Die Messungen offenbarten einen deutlichen Unterschied zwischen der Menge der VOC-Emissionen und deren chemischer Wirkung. Biogene VOC machten nur etwa ein Zehntel der gesamten VOC-Emissionen aus, trugen aber deutlich überproportional zur atmosphärischen Reaktivität bei: Betrachtet man nur die VOC-Reaktivitätswerte, so trugen biogene VOC fast die Hälfte dazu bei. Ein Großteil dieses Effekts ging auf das BVOC Isopren zurück, das für mehr als 90 Prozent der chemischen Reaktivität der biogenen VOC-Emissionen verantwortlich war.
Die Temperatur verstärkte diesen Effekt deutlich. Zwischen 20 °C und 35 °C stieg die chemische Reaktivität der von den Stadtbäumen abgegebenen VOCs um das 7- bis 8-fache. Die chemische Reaktivität der VOCs aus menschlichen Aktivitäten stieg dagegen lediglich um 40 Prozent beziehungsweise auf das 1,4-fache. Der Anteil der Baumemissionen an der gesamten VOC-Reaktivität stieg dadurch von 21 Prozent auf 74 Prozent.
An Tagen, an denen die Ozonbildung besonders empfindlich auf VOC-Veränderungen reagierte, stieg der beobachtete Ozon-Spitzenwert mit der Temperatur nahezu im gleichen Maß wie die VOC-Reaktivität. Diese enge Übereinstimmung stützt die Annahme eines Zusammenhangs zwischen verstärkten Vegetationsemissionen an heißen Tagen und höheren Ozonwerten.
Die Baumart macht den Unterschied
Um zu verstehen, warum Baumemissionen in Peking eine so große Rolle spielen, verglichen die Wissenschaftler:innen ihre Ergebnisse mit direkten Messungen aus anderen Städten. Nach Bereinigung um Temperatur- und Sonneneinstrahlungsunterschiede waren Pekings Isopren-Emissionen die höchsten unter den untersuchten Städten und näherten sich Werten an, wie sie in gemäßigten Wäldern gemessen werden.
Der Vergleich von Baumbeständen und Vegetationsdaten aus mehr als 20 Städten zeigte, dass die hohen Isoprenwerte in Peking vor allem mit den vorhandenen Baumarten in Zusammenhang stehen. Mehr als ein Drittel der Bäume in Peking sind isopren-emittierende Arten, darunter die Trauerweide und die Chinesische Weißpappel. In den untersuchten Städten variierten die Isopren-Emissionswerte um mehr als das Zehnfache und folgten eng dem Anteil isopren-emittierender Bäume.
Mehrere Städte in Asien und Ozeanien könnten mit einem vergleichbaren oder größeren Druck auf die Luftqualität durch Baumemissionen konfrontiert sein. „In europäischen Städten finden wir deutlich weniger Baumarten, die Isopren abgeben. Heimische Baumarten emittieren häufig Monoterpene, die ebenfalls ozonbildend sind, jedoch in geringeren Mengen als Isopren abgegeben werden“, schildert Thomas Karl.
Planung grüner Städte mit sauberer Luft
„Die Ergebnisse sind kein Aufruf zu weniger städtischer Begrünung oder zur Entfernung ausgewachsener Bäume. Stattdessen legen sie nahe, das BVOC-Emissionspotenzial als zusätzliches Kriterium bei der Baumauswahl zu berücksichtigen“, betont Karl. Würde man in Peking bei der routinemäßigen Erneuerung des Stadtbaumbestandes ein Zehntel der Bäume – und zwar jene mit den höchsten Isopren-Emissionen – durch emissionsärmere Arten ersetzen, ließen sich die Isopren-Emissionen um mindestens 29 Prozent senken. „Da Hitzewellen häufiger werden, könnte die Zusammensetzung der Baumarten eine sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Emissionskontrollen darstellen“, so die Studienautor:innen.
NOx-Kontrolle bleibt entscheidend
Baumemissionen spielen eine Rolle, sind aber nur ein Teil des Ozonproblems. Die Ozonbildung erfordert zusätzlich NOx und Sonnenlicht, zudem ist die zugrunde liegende Chemie nichtlinear. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erwärmung reaktive VOC-Emissionen aus der Vegetation erhöht – was fortgesetzte Kontrollen der NOx-Emissionen, besonders in heißen Perioden, weiterhin unverzichtbar macht.
