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Dreck bremst die Klimaerwärmung

Winzige, ultraleichte Schwebstoffe spielen eine wichtige Rolle im Treibhaus Erde. Die Wirkung der Aerosole auf das Klima ist bislang allerdings wenig erforscht. Neue Erkenntnisse könnten die Klimamodelle präzisieren.

Dichter Smog liegt über Tschungking, der boomenden Metropole im Roten Becken. Gespeist wird die permanente Abgasglocke über der Millionenstadt im Herzen Chinas von einem stetigen Strom mikroskopisch kleiner Spurenstoffe, die mit wenigen Bruchteilen von Mikrogramm ultraleicht sind: Sie entsteigen den Schloten der umliegenden Industrie- reviere, quellen aus den Kaminen der Wohnhäuser und entströmen den Auspuffrohren der Autos. Wirtschaft, Industrie und Autoverkehr in der Region wachsen rasant – und der Ausstoß an Asche-, Ruß- und Staubpartikeln hält Schritt.

Aerosole nennt die Wissenschaft die feinen Teilchen, die sich wenige Stunden bis mehrere Wochen in der Luft halten, sich schwebend ausbreiten und die Atmosphäre eintrüben. Im Roten Becken verweilen die Schwebteilchen länger als anderswo, denn die mächtigen, zum Teil über 7000 Meter hohen Gebirgsrücken, die die Senke fast zur Gänze umschließen, bilden eine natürliche Hürde, die erst einmal genommen sein will. Diese Besonderheit macht das Rote Becken zu einer Fundgrube für Klimaforscher, die etwas über Aerosole und deren Wirkung auf den Treibhauseffekt herausfinden wollen.

„Aerosole können den Treibhauseffekt regional verstärken oder aber abschwächen“, sagt Olaf Krüger, Physikprofessor an der Universität München. Gemeinsam mit Hartmut Graßl, dem inzwischen emeritierten Direktor am Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie, hat der Physiker im Roten Becken die Struktur der Aerosole und ihre hochkomplexe Wirkung auf den Strahlen- und Wasserhaushalt der Atmosphäre studiert. Denn bislang wissen die Forscher nur wenig über die winzigen Partikel, deren Durchmesser zwischen einem Hundertstel und einem Zehntausendstel Millimeter liegt (zum Vergleich: ein kräftiges Haar ist einen Zehntelmillimeter stark). Gesichert ist nur, dass die ultraleichten Schwebteilchen eine ebenso wichtige wie widersprüchliche Rolle im lokalen und globalen Klimageschehen spielen.

Das Gros der Aerosole, die das Rote Becken einnebeln, entstammt der Verbrennung von Öl, Kohle und Biomasse in der Fabrik, im Automotor, im Kraftwerk und im heimischen Herd. Asche und Ruß dominieren den Mix, denn im Roten Becken, das mit über 107 Millionen Einwohnern zu den am dichtesten besiedelten Regionen des Landes zählt, heizen die Menschen noch viel mit Kohle. Hinzu kommen Staubteilchen, die der Wind von nah und fern heranträgt, darunter auch aus natürlichen Quellen wie Wüstenstaub, Meersalz, Vulkanasche und Waldbränden.

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Wie lange sich die Spurenstoffe in der Luft halten – und damit auch, wie weit sie vom Wind davongetragen werden –, hängt vor allem von ihrer Größe ab: Je kleiner sie sind, desto weitere Strecken legen sie zurück. Ganze Wolken dieser Partikel werden von schnell steigenden Warmluftströmen mitgerissen und bis in die obere Troposphäre gehoben. In den eisigen Höhen weht der Wind weit stärker als am Boden, sodass die Aerosole mit hoher Geschwindigkeit Meere und Kontinente überqueren. Auf diese Weise gelangt beispielsweise Staub aus der Sahara bis in die Alpen und legt sich dort als gelbrote Sandschicht über die Skipisten der Wintersport-Orte.

Untersuchungen an der Technischen Universität München haben ergeben, dass Aerosole, die in Mitteleuropa in die Luft geblasen werden, bis in arktische Breiten schweben und dort die vermeintlich reine Atmosphäre trüben. In welche Gefilde die mitteleuropäischen Aerosol-Fahnen verweht werden, ist abhängig vom Wetter: Sind Islandtief und Azorenhoch nur schwach, stülpen sie sich als Dunstglocke über Großbritannien. Sind die beiden Wetterzentren stärker ausgeprägt, wandern die Schwebteilchen bis nach Skandinavien und in die Arktis. So hüllt sich jede Region in einen lokaltypischen Aerosolmix aus heimischen und auswärtigen Zutaten, dessen Zusammensetzung zeitlich und wetterabhängig stark variiert.

Das hat Folgen für das örtliche Klima: Manche Schwebteilchen schlucken die Sonnenstrahlen und erwärmen – gleichsam als Heizkörper – die Luft. Andere dagegen streuen das Licht der Sonne und kühlen wie eine Art Sonnenschirm die darunterliegende Atmosphäre. Ob ein Aerosol die Sonnenstrahlen aus dem All und die Wärmestrahlen von der Erde absorbiert oder reflektiert, ist abhängig von seiner Farbe, Form und Oberflächenstruktur.

Wichtiger noch für das Klima ist eine zweite Eigenschaft der schwebenden Winzlinge: Sie sind Saatkörner für Wolken. An ihrer Oberfläche schlägt sich Wasserdampf aus der Luft nieder, es bilden sich Tröpfchen, und schließlich wächst eine Wolke. Auch dadurch behindern Aerosole den Energiefluss von der Sonne zur Erde und retour, denn Wolken reflektieren die Sonnenstrahlung. „ Je mehr Aerosole eine Wolke enthält, desto mehr und desto feinere Wassertröpfchen bilden sich und erhöhen ihr Rückstreuvermögen“, erläutert Olaf Krüger diesen Effekt, den die Wissenschaft Albedo nennt.

Weil mächtige Wolken mit hoher Albedo das Sonnenlicht spiegeln, erscheinen sie auf Satellitenbildern als hell leuchtende Wattebäusche, die über dunklen Flächen – den Landmassen – schweben. Zwar existieren auch schüttere Wolken, die Sonnenstrahlen fast ungehindert passieren lassen und gleichzeitig langwelligen Wärmestrahlen von der Erde den Weg ins All versperren. Doch im Allgemeinen verstärken Wolken die Albedo unseres Planeten und bremsen somit die globale Erwärmung, die von Treibhausgasen wie Methan und Kohlendioxid angeheizt wird.

Dieses Phänomen haben Krüger und Graßl bereits vor einigen Jahren im Dreiländereck zwischen Deutschland, Polen und Tschechien erforscht – eine Region, die wie geschaffen zu sein scheint für einen Vorher-Nachher-Vergleich in Sachen menschengemachter Treibhauseffekt. Denn vor dem Fall des Eisernen Vorhangs pumpten hier drei Braunkohlekraftwerke und unzählige Industrieanlagen gewaltige Schadstoffmengen in die Atmosphäre. Die Luft war mit giftigen Abgasen verdreckt wie sonst nirgends in Europa. Selbst der Schnee fiel hier in grauen Flocken zur Erde, und die Gegend geriet als „Schwarzes Dreieck“ in Verruf.

Das änderte sich nach dem Zusammenbruch der DDR schlagartig: Die industriellen Dreckschleudern wurden saniert oder stillgelegt, die Autos bekamen Katalysatoren. Heute ist der Himmel über dem Dreiländereck wieder blau. Im Zeitraum zwischen 1990 und 1998 ging die Verschmutzung mit Stickoxiden um über die Hälfte, der Schwefeldioxid-Ausstoß um 85 Prozent und die Staubemission um fast 90 Prozent zurück, wie ein gemeinsamer Bericht der drei Anrainerstaaten dokumentiert.

Doch das Großreinemachen, das dem Ende des Kalten Krieges folgte, hat die Klima-Erwärmung in der Region verstärkt: Mit den Emissionen sank auch der Aerosol-Pegel der Atmosphäre. Binnen weniger Jahre lichtete sich die Wolkendecke über Mitteleuropa, wie Graßl und Krüger beim Vergleich von Satellitenbildern feststellten. Hinzu kommt, dass die Wolken an Rückstrahlkraft eingebüßt haben: „Die Albedo lag vor der Wende um zwei bis drei Prozent höher als heute“, sagt Krüger. Der Grund: Moderne Technik filtert Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung von Erdöl und Kohle anfällt, größtenteils aus dem Abgasstrom heraus. Nur noch eine kleine Menge des giftigen Gases gelangt in die Atmosphäre, wo es sich in reflektierende Sulfat-Aerosole verwandeln kann. Katalysatoren wirken ähnlich luftreinigend, denn sie reduzieren den Stickoxid-Ausstoß von Benzinmotoren – ohne das Vorläufergas entstehen keine lichtstreuenden Nitrat-Aerosole. Überall dort jedoch, wo sich Wolken lichten und der Sulfat- und Nitrat-Pegel im regionalen Aerosolmix abnimmt, gelangen Sonnenstrahlen leichter auf den Erdboden und heizen ihn stärker auf – die Forscher sprechen vom „Gorbatschow-Effekt“.

Das Ergebnis des Vorher-Nachher-Vergleichs im ehemaligen Schwarzen Dreieck scheint die These von Meinrat Andreae zu stützen: „Saubere Luft heizt die Erde auf“, gibt der Forscher am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz zu bedenken. Bislang habe der Gehalt der Atmosphäre an Aerosolen die Erwärmung durch die Klimagase teilweise kompensiert. Wie stark der Treibhauseffekt durch die Schwebstoffe gedrosselt werde, lasse sich jedoch nur schwer einschätzen: „Es ist, als ob die Menschheit in einem Auto sitzt, Gas gibt und zugleich bremst“, sagt Andreae. Reduziere man den Aerosol-Gehalt der Atmosphäre, löse man gleichsam die Bremse, und das Klimafahrzeug beschleunige seine Fahrt: „Erst dann werden wir wissen, wie stark die Bremse war und ob wir in einem Traktor oder einem Ferrari sitzen.“

Verbessert sich also die Luftqualität, kommt dies zwar der menschlichen Gesundheit zugute. Gleichzeitig könnte jedoch die Fieberkurve des Planeten in schwindelnde Höhen klettern: „Unsere Modellrechnungen haben für das Jahr 2100 einen Temperaturanstieg von bis zu acht Grad ergeben“, sagt Andreae. Damit liegt er weit über den Prognosen des Intergovernmental Panel on Climate Change: Im jüngsten offiziellen Bericht des Weltklimarates aus dem Jahr 2001 heißt es, die Erde werde sich schlimmstenfalls um 5,8 Grad Celsius erwärmen. Allerdings bleibt darin die Rolle der Aerosole weitgehend ausgeklammert.

In der Summe drosseln die feinen Schwebteilchen die Erwärmung der Erde – das gilt inzwischen als Konsens unter Klimaforschern. Doch was sich global als schlüssige Theorie darstellt, kann lokal und regional ganz anders aussehen, wie Hartmut Graßl und Olaf Krüger bei ihren Forschungen im Roten Becken feststellen mussten. Eigentlich hatten die Wissenschaftler damit gerechnet, dass in der mit Aerosolen überladenen Atmosphäre Wolken von großer Rückstrahlkraft heranwachsen. Doch das Gegenteil war der Fall: „ Die Satellitenbilder zeigten Wolken und Aerosolschwaden mit ungewöhnlich niedriger Albedo“, sagt Krüger.

Die Klimaforscher stellten fest, dass der extrem hohe Gehalt von Ruß und Flugasche in der Luft die Wolken in Strahlenfallen verwandelt, die das Sonnenlicht absorbieren und sich aufheizen. „ Stark rußgeschwängerte Wolken können sich so weit erhitzen, dass Wassertröpfchen, die sich an den Aerosolen niedergeschlagen haben, wieder verdampfen“, erläutert Krüger das Phänomen. Wie ein riesiges Heizkissen lasten die überhitzten Wolken über dem Roten Becken. Ein Aerosolmix wie im Schwarzen Dreieck, der überwiegend aus Sulfat- und Nitrat-Teilchen besteht, kühlt also die Atmosphäre – ein Mix, der von Asche und Ruß dominiert wird, wärmt dagegen, wie die Forschungen in China gezeigt haben.

Die Unmengen von Asche- und Rußteilchen über dem Roten Becken sorgen für eine fast ständig geschlossene Wolkendecke. Nur an 25 bis 30 Tagen im Jahr klart es so weit auf, dass die Berghänge mit ihren Reisterrassen und den eingestreuten Fachwerkhäuschen im Sonnenlicht erstrahlen. Besonders dicht ist die Bewölkung im Umkreis großer Städte wie Tschungking, Tschengdu und Zigong, haben Graßl und Krüger beim Studium von Satellitenbildern herausgefunden. Ein Grund dafür könnte sein, dass Wolken, die mit Schwebteilchen überladen sind, viele, äußerst kleine Wassertröpfchen erzeugen: Sie regnen seltener ab und halten sich daher länger am Himmel als Wolken mit wenigen großen Tropfen. „ Der verzögerte Niederschlag lässt sie länger bestehen und auch stärker wachsen“, ist Krüger. überzeugt. Wenn mehr Wasser in der Wolke bleibt, wird beim Übergang in die Eisphase mehr Wärme freigesetzt. „Die Luft innerhalb der Wolke erwärmt sich stärker und steigt geballt nach oben“, erklärt der Physiker. Dabei quillt die Wolke auf wie ein Hefeteig.

Je mehr die Forscher über Wolken lernen, desto mehr Fragen tauchen auf: Warum speit die eine Wolke Hagel, die andere löst sich dagegen in Wohlgefallen auf? Warum türmt manche ein regelrechtes Gebirge auf, während eine andere nur als schmaler Streifen am Horizont erscheint? All das ist bislang nur in Grundzügen erforscht. Ein Schlüssel zum besseren Verständnis könnte sein, mehr über die verschiedenartigen chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften der einzelnen Aerosol-Arten herauszubekommen, vermutet Ruprecht Jaenicke von der Universität Mainz. Noch steckt die Forschung in den Kinderschuhen: Insbesondere die Rolle der Bio-Aerosole sei bislang sträflich vernachlässigt worden, klagt der Atmosphären-Physiker.

Bislang gehen die Wissenschaftler davon aus, dass vor allem Meersalz, Wüstenstaub und anthropogene Partikel Wolkenbildung und Klima mitbestimmen. Man schätzt, dass pro Jahr weltweit rund 2000 Millionen Tonnen Mineralstaub und rund 3300 Millionen Tonnen Meersalz in die Atmosphäre gelangen. Dagegen erscheint Bio-Staub mit einer Jahresmenge von nur 56 Millionen Tonnen als eher peripheres Problem. Doch Jaenicke widerspricht dieser Auffassung: „Zellmaterial und Proteine beeinflussen den Treibhauseffekt weitaus stärker als Wüstensand, Ruß oder Sulfate.“ Bio-Partikel, zu denen Pflanzenabrieb, Hautschuppen, Pollen, Tierhaare, Laubbrösel, Viren und Bakterien gehören, seien im Vergleich mit anthropogenen oder mineralischen Schwebstoffen hyperaktiv: „ Pollenkörnchen ziehen Wasser beispielsweise bereits bei einer Luftfeuchtigkeit von weniger als 100 Prozent an“, erklärt Jaenicke. „Dadurch erzeugen sie wesentlich früher Wolken als andere Aerosole.“

Der Partikelmix in der Atmosphäre ist für die Wissenschaftler nur schwer in den Griff zu bekommen, denn er besteht nicht nur aus vielen verschiedenartigen Spurenstoffen, sondern sie treffen auch aufeinander und verbinden sich zu neuen Teilchen, die sich wiederum mit anderen Partikeln paaren und so fort. In dieser riesigen Chemie-Fabrik werden am laufenden Band Aerosole mit unterschiedlichsten Eigenschaften produziert.

Weil die Experten vermuten, dass die schwebenden Winzlinge das Klima ähnlich stark beeinflussen könnten wie das Treibhausgas Kohlendioxid, geben alle Klimamodelle das Ausmaß der Erderwärmung als breite Spanne an – was die Unsicherheit in den Wissenschaftler-Zirkeln widerspiegelt. „Aerosole sind kurzlebig und variieren im Lauf der Zeit von Ort zu Ort. Das macht sie zu einer hochkomplexen Materie“, sagt Ruprecht Jaenicke. „Die schwierigste Teil der Klimaforschung liegt noch vor uns.“ ■

Hartmut Netz lebt als freier Wissenschaftsjournalist in München. Sein Themenspektrum reicht von Technik über Natur- und Umweltschutz bis zur Klimaforschung.

Hartmut Netz

COMMUNITY Internet

Ausführliche Infos zu Aerosolen allgemein und zur Aerosol-Forschungsstation auf dem Jungfraujoch vom Paul-Scherrer-Institut:

aerosolforschung.web.psi.ch/index.html

Max-Planck-Institut für Meteorologie:

www.mpimet.mpg.de/

Beitrag über Aerosole und ihre Klimawirkung auf dem Hamburger Bildungsserver:

hamburger-bildungsserver.de/klima/ klimawandel/treibhausgase/index.htm

Ohne Titel

• Die meisten Aerosole entstehen durch das Verfeuern von fossilen Brennstoffen.

• Die feinen Schwebteilchen fördern die Bildung von Wolken, die meist eine Abkühlung der Erdoberfläche bewirken.

• Auch durch die Streuung des Sonnenlichts kühlen Aerosole die Erde. Rußteilchen heizen sie dagegen auf.

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