In der Atmosphäre kommt es zwar deutlich seltener vor als Kohlendioxid (CO2), ist aber rund 300-mal so klimaschädlich: Di-Stickstoffmonoxid (N2O), wie Lachgas mit chemischem Namen heisst, ist eines der wichtigsten Treibhausgase.
Lachgas verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre und trägt dort zur Erderwärmung bei. Zudem schädigt Lachgas die Ozonschicht.
Dank eines neu entwickelten Laserspektrometers können Empa-Forschende erstmals aufzeigen, welche Prozesse im Grasland zu Lachgas-Emissionen führen. Ziel ist es, durch ein besseres Verständnis der in den Böden ablaufenden Prozesse die Emissionen dieses potenten Treibhausgases zu verringern.
Kein Scherz: Lachgas ist schädlich fürs Klima
Forschende weltweit suchen nach Wegen, um Lachgasemissionen zu verringern. Doch die Forschung steckt noch in den Kinderschuhen. «Man weiss zwar, dass beispielsweise nach dem Düngen oder nach Regenfällen mehr Lachgas aus dem Boden entweicht.
Aber welche Prozesse im Boden genau ablaufen, ist noch wenig erforscht», sagt der Empa-Emissions- und Isotopenforscher Joachim Mohn.
Empa-Forschende haben daher ein Laserspektrometer entwickelt, mit dem im Feld äusserst präzise Messungen möglich sind. «Man sieht genau, welche Isotopenzusammensetzung das gemessene Lachgas hat», erklärt Mohn.
Die spezifische Bestimmung der Isotope lasse Rückschlüsse auf die Entstehungsprozesse des Lachgases zu. «Ausserdem kann mit den Isotopenmessungen abgeschätzt werden, inwieweit das schädliche Lachgas im Boden zu unschädlichem Stickstoff abgebaut wird.»
Durch mikrobielle Prozesse entsteht Lachgas
Lachgas bildet sich bei verschiedenen mikrobiellen Prozessen. Es kann als Nebenprodukt der Nitrifikation und als Zwischenprodukt bei der Denitrifikation entstehen. Bei der Nitrifikation wird Ammonium, etwa aus Dünger, zu Nitrat oxidiert. Bei der Denitrifikation wird Nitrat in Stickstoff umgewandelt.
«Die Empa, aber auch andere Forschungseinrichtungen, untersuchen, welcher biochemische Prozess in einem Bakterium bevorzugt welches Lachgas-Isotop bildet», so Mohn.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben Empa-Forschende gemeinsam mit Wissenschaftlern der ETH Zürich und des Karlsruher Instituts für Technologie über mehrere Monate in Bayern mehr als 600 Laserspektrometer-Messungen über Grasland durchgeführt.
So haben sie die Isotopenzusammensetzung des emittierten Lachgases analysiert.
Böden als grösste Emissionsquelle von Lachgas
Gleichzeitig haben die Forschenden Einflussgrössen wie die Feuchtigkeit des Bodens, Nährstoffgehalte, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeiten und den Zeitpunkt von Niederschlägen und Düngungen aufgezeichnet.
Ein Novum, wie Joachim Mohn erklärt: «Über einem Boden kontinuierlich zu messen, war mit den bisherigen massenspektrometrischen Messgeräten schlicht unmöglich.
Dank unseres neuen Geräts können wir nun hochpräzise Messungen im Feld durchführen und die so erhaltenen Ergebnisse, etwa von Grasland, mit denjenigen aus dem Labor vergleichen.»
Lachgas-Emissionen aus Böden reduzieren
Die Forschenden überprüfen nun mit den ersten Feldmessungen, ob bisherige Emissionsmodelle gute Vorhersagen erlauben oder wie sie allenfalls verbessert werden können.
Mohn: «Bisher konnte man nur sagen, ob ein Modell zur Prognose der Lachgasemission den Zeitpunkt und die Menge richtig widergibt.
Bestimmt man dazu noch die Isotopensignatur, dann weiss man auch gleich, ob das Modell die Entstehungsprozesse für Lachgas richtig voraussagt.»
Dies sei ein enorm wichtiger Schritt für die Lachgasforschung, sagt der Empa-Forscher. «Das Fernziel ist, die Lachgas-Emissionen aus natürlichen und landwirtschaftlich genutzten Böden zu reduzieren.»
Bis dahin sei es allerdings noch ein weiter Weg. «Aber einen ersten Meilenstein haben wir nun immerhin erreicht», so Mohn.
