Untere Atmosphäre

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Feuer - ihre Chemie und globale Bedeutung

Jedes Jahr brennen riesige Flächen auf unserem Planeten:

10 Mio Hektar borealer Wälder in den nördlichen Breiten (z.B. Nadelwälder in Sibirien)
40 Mio Hektar tropische und subtropische Wälder
500 - 1000 Mio Hektar offene Wälder, Buschland und Savannen

1 Mio Hektar(ha) = 1 Mio x 100 m x 100 m = 10.000 km²

Stelle dir die Fläche vor:

Das weltweite Kohlenstoff-Budget für den CO₂-Austausch
im Zeitraum 1850 - 1990
in Pg Kohlenstoff (Pg C = GtC). 1 Petagramm Pg = 1015 g = 1 Milliarde Tonnen (Gigatonne Gt)

Emissionen aus vom Menschen verursachten Feuern, die oft mit einer Veränderung der Landnutzung verbunden sind, sind eine wichtige Quelle für CO₂.
 

3. Kohlendioxid - Quellen und Senken - Bild: Elmar Uherek

Die Hauptquellen sind
1) Änderung in der Landnutzung 
(+ 121 Pg C)
2) Verbrennung fossiler Energieträger 
(+ 212 Pg C)

Die Hauptsenken sind:
3) CO₂-Aufnahme durch die Ozeane
(- 107 Pg C)
4) CO₂-Aufnahme durch die Kontinente
(- 82 Pg C)

Wir verstehen bislang sehr schlecht, wie die Kontinente CO₂ aufnehmen. Darum ist die CO₂ Senke Land nur mit einer recht großen Unsicherheit anzugeben. Vermutlich ist ein verstärktes Pflanzenwachstum die Ursache außerhalb der Gebiete, wo Biomasse typischerweise verbrannt wird.
90% der CO₂-Emissionen, die mit Veränderungen in der Landnutzung verbunden sind, stammen aus der Entwaldung. Ein besonderes Problem der Regenwälder ist es, dass sie, wenn sie einmal niedergebrannt sind, kaum wieder aufgeforstet werden können. Denn es bildet sich eine Nachfolgevegetation, die jedes Jahr wieder brennt.
 

Natürliche Vegetationsfeuer können kurzfristig eine Quelle von CO₂ sein, aber langfristig gleicht sich dies aus oder sie bilden sogar eine sehr geringe Senke (< 0,1 Pg C / Jahr), denn Kohlenstoffsedimente werden im Boden abgelagert. Offene Wälder und Savannen brennen in einem Zyklus von 1-3 Jahren auf weit größeren Flächen als die Regenwälder, aber ohne große Störungen für unser Klimasystem. Denn was hier verbrennt, wächst wieder nach.
 

4. Brandherde rund um die Welt:
Karte vom Global Fire Monitoring Centre

Was entsteht während des Verbrennungsprozesses?

Dies hängt davon ab
a) aus welchen Substanzen sich die Pflanzen zusammensetzen,
b) wie hoch die Temperatur in den Flammen ist,
c) ob genügend Sauerstoff verfügbar ist,
b) ob es sich um ein offenes oder ein glimmendes Feuer (Schwelbrand) handelt.

Woraus bestehen Pflanzen?

Der Wassergehalt von Pflanzen kann bei bis zu 60% liegen. Gewöhnlich aber geht der 'Feuersaison' eine Trockenzeit voraus, in der die Pflanzen viel Wasser verlieren. Die typische Zusammensetzung des trockenen Materials ist:

in Elementen:

• Kohlenstoff (C): 45%
• Sauerstoff (O): 42%
• Wasserstoff (H): 6%
• andere (N, S, P): 7%
  z.B. Schwefel 0,1-0,5%

in Substanzen:

• Cellulose und Hemicellulose [Kohlenwasserstoffe vom Typ (C₆H₁₀O₅)_n]: 50-70%
• Lignin: 15-35%
• kleinere Mengen an Proteinen, Aminosäuren, anderen Metaboliten
• Mineralien: bis zu 10%

Lignin entsteht dadurch, dass Zuckern irreversibel Wasser entzogen wird, wobei sich aromatische Ringstrukturen bilden. Die OH-Gruppen können miteinander unter Bildung von Aldehyden und Ketonen reagieren. Das Ergebnis ist eine Polymerstruktur mit Etherbindungen.

Der Verbrennungsprozess

Nachdem sich ein Brand entzündet hat, gibt es gewöhnlich eine Periode offenen Feuers, sofern genug Sauerstoff vorhanden ist. Dem folgt eine Periode von Schwelbränden, während der nicht genug Sauerstoff vorhanden ist.
In einem offenen Feuer wird eine einfache Mischung voll oxidierter Verbindungen gebildet. In einem Schwelbrand hingegen wird eine sehr komplexe Mischung nicht voll oxidierter Verbindungen gebildet, da es an Sauerstoff mangelt, bisweilen entsteht sogar Methan (CH₄).

Nachdem sich ein Feuer entzündet hat (> 180°C / 450 K), findet eine lodernde Verbrennung (> 580°C / 850 K) statt: Einfache Moleküle wie CO₂, H₂O, NO, N₂O, N₂ und SO₂ werden als Oxidationsprodukte freigesetzt. Danach erlöschen die Flammen langsam ...

... und ein Stadium glimmenden Schwelbrands (< 580°C / 850 K) beginnt. Da es an Sauerstoff mangelt, werden CO und viele nur teilweise oxidierte organische Verbindungen wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Methanol, Aceton, Methan usw. freigesetzt.

Verwandte Seiten:

Weitere Informationen zu Feuern und den freigesetzten Gasen finden sich unter:
Untere Atmosphäre - Basis - Einheit 2 - Feuer

Mehr über Feuer im Mittelmeerraum und mögliche Auswirkungen auf das Klima kannst du nachlesen unter
Landwirtschaft - Basis - Einheit 3 - Trockenperioden und Feuer

About this page:

author: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry, Mainz
scientific reviewer: Dr. Rolf Sander - MPI for Chemistry, Mainz 2004-05-18
Letzte Überarbeitung: 2007-08-22