Biosphaere.info - Aerosole Teil 2: Gegenspieler der Treibhausgase

Wer Mitglied bei einem solchen Dienst ist, kann seine Bookmarks (Lesezeichen, Favoriten) im Internet speichern und weltweit darauf zugreifen. Dies sind Links zu den bekanntesten Diensten:

nach oben

Inhalt

2 Wie wirken Aerosole?
    2.1 Direkter Einfluß durch Absorption
    2.2 Indirekter Einfluß auf Wolken und Niederschläge
        2.2.1 Wolkenbildung
        2.2.2 Einfluß der Zahl der Aerosole
        2.2.3 Einfluß der organischen Aerosole
        2.2.4 Beispiele
        2.2.5 Stärke des Effekts
        2.2.6 Studie der Universität Princeton
    2.3 Düngung durch Aerosole
        2.3.1 Amazonas
        2.3.2 Ozeane
    2.4 Hurricanbildung durch Aerosole
    2.5 Auswirkung auf Menschen (Feinstaub)
Einige Quellen
Aktualisierungen

2 Wie wirken Aerosole?

2.1 Direkter Einfluß durch Absorption

Treffen Photonen der Sonnenstrahlung auf ein Aerosolpartikel, nimmt es ihre Energie auf. Entweder hält es die Energie (Absorption) oder es strahlt sie ins Weltall ab (Reflexion). Das ist abhängig von der Art des Aerosols.

Absorption bedeutet, dass einige Aerosole einen Teil der Wärmeabstrahlung der Erde aufnehmen und sich dabei erwärmen. Dazu gehören die Partikel, die eine dunkle Oberfläche aufweisen. Damit erwärmen sich auch die höheren Luftschichten der unteren Atmosphäre und sind an der Erderwärmung (global warming) beteiligt. Dazu gehören die mineralischen Aerosole (Silikate aus der Wüste) und Rußpartikel.
Reflexion bedeutet, dass die bodennahen Luftschichten und die Erdoberfläche von der einfallenden Strahlung abgeschirmt werden, was eine Abkühlung bedeutet (global dimming). Daran sind zum Beispiel die aus Schwefeldioxid entstehenden Sulfatpartikel beteiligt, entweder direkt, oder weil sie als Kondensationskeime eine Voraussetzung für Wolkenbildung sind.

Dazu Beispiele:

Heiko Paeth von der Universität Würzburg und Johann Feichter vom Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie untersuchten die Auswirkungen im tropischen Afrika. Dort wird Biomasse verbrannt. In untersuchten Westafrika und Kongobecken verringert Ruß aus diesen Bränden die einfallende Sonnenstrahlung. Diese Teilchen kühlen die Region so stark ab, dass die Erwärmung durch den Treibhauseffekt ausgeglichen werden kann.
Staub aus der Sahara und Ruß aus Ostasien senken die lokalen Temperaturen ab und heizen sich dabei auf.
An einer Fernwirkung ist hauptsächlich der Staub der Sahara beteiligt. Er breitet sich über eine Fläche von den Ausmaßen hunderter bis tausender Kilometer in Länge und Breite aus. Wenn sich diese Luftschicht durch Absorption erwärmt, löst sie so genannte barotrope Rossbywellen aus. Dabei handelt es sich um periodische Schwankungen von Druck und Temperatur. Diese sorgen für eine Umverteilung der Hoch- und Tiefdruckgebiete. Computermodellen zufolge breiten sich diese Wellen bis nach Sibirien aus. Das hat zur Folge, dass in Mittel- und Osteuropa der Luftdruck steigt, während er im hohen Norden Eurasiens und Tibet fällt. In den bodennahen Luftschichten im Norden des Kaspischen Meeres sinken die Temperaturen, in denen Sibiriens steigen sie um mehr als ein Grad Celsius. Im nördlichen Mittelmeerraum sorgt der Effekt lediglich um einen Anstieg von Zehntelgrad. So kühlt der Staub der Sahara oder der Smog Ost- und Südasiens das Klima in ganz Europa und Asien. In Regionen mit klarer Luft treten dabei die stärksten Effekte auf. Die Simulationen zeigen das gleiche Muster wie die Temperaturenticklung Eurasiens von 1970 bis 1990. Anthropogene Aerosole verstärken diesen Trend. Die Wissenschaftler verwendeten das institutseigene Computermodell zur Zirkulation der Atmosphäre und verarbeiteten damit eigene Messungen und Daten des Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport Model.

Für den Staub der Sahara stellte das SAMUM-1 Projekt als erstes Ergebnis fest:

Die Schicht ist fünf Kilometer dick, sehr konstant und an der Obergrenze scharf abgeschlossen. Je kompakter sie ist, desto weiter kann sie wandern. Das Atlas-Gebirge wirkt wie eine Rampe, die ihn auf den Atlantik hinausschießen läßt.
Um 20 bis 25 Prozent schwächt der Staub die Sonneneinstrahlung. Mit 2 bis 3 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) Durchmesser sind die Teilchen sehr groß für atmosphärische Verhältnisse. Das heiß auch: Sie haben eine große Querschnittsfläche, die sich der Sonnenstrahlung entgegenstellt und damit auch eine hohe Reflexion.
Es gibt im Wüstenstaub aber auch Teilchen, die Sonnenenergie schneller als andere aufnehmen und sie speichern. Mit Hilfe einer Staubsammelstation am Boden stellten die Wissenschaftler die Zusammensetzung des Staubes fest. Spezialfilter sortierten sie nach Größe vor. Dazu kamen die Proben aus dem Flugzeug. So intensiv wurden die Partikel noch nie analysiert. Mineralien fangen die kurzwellige Einstrahlung der Sonne weg. In der Höhe wird es wärmer, am Boden kühler. Untersuchung auf Kupferplättchen unter dem Mikroskop. Hier wurde nur die Anzahl festgestellt. In Deutschland folgten weitere Untersuchungen. Hier ist die Farbe entscheidend. Materialien unterschiedlicher Farbe absorbieren das Sonnenlicht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, dunkle absorbieren stark, weiße lassen viel Licht passieren.
Der Saharastaub enthält einen höheren Anteil an Kalziumsulfaten und Kalziumkarbonaten, wie es für das Gebiet zu erwarten war. Sie streuen mehr Licht als Silikate, aus denen der Wüstenstaub normalerweise besteht. Die große Reflexion bedeutet: Der Wüstenboden kühlt aus.

nach oben

2.2 Indirekter Einfluß auf Wolken und Niederschläge

2.2.1 Wolkenbildung

Trifft die Wärmestrahlung der Sonne auf die Oberfläche von Gewässern, steigt deren Temperatur. Wasser besteht aus Molkülen und höhere Temperatur bedeutet, dass sie sich schneller bewegen. Je rascher sie sich aber bewegen, desto weniger sind sie in der Lage, sich an ihre Nachbarmoleküle zu binden. Sie lösen sich aus der Flüssigkeit, steigen auf und werden zu einem unsichtbaren Gas, dem Wasserdampf. Dann sind sie Teil der Atmosphäre, wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid.

Dieses Gas kann nun wieder zu einer Flüssigkeit werden. Eigentlich müsste nur die Temperatur sinken, die Moleküle würden langsamer werden und wieder Bindungen eingehen. Die Temperatur sinkt tatsächlich, nämlich dann, wenn das Gas und höhere, kältere Luftschichten aufsteigt. Doch Versuche in Labors zeigen: In einer reinen Sauerstoff-Stickstoff-Spurengas-Atmosphäre wird es nicht flüssig. Und nun kommen nun die Aerosole ins Spiel. Sie wirken als so genannte Kondensationskeime oder Kondensationskerne. Man unterscheidet dabei:

Aitken-Kerne von 0,01 bis 0,1 µm
Große Kerne von 0,1 bis 2 µm
Riesenkerne über 10 µm

Ganz vereinfacht gesagt, ziehen sie die Wassermoleküle zu sich heran. Dann kann sich der Wasserdampf an ihnen absetzen und zu einer Flüssigkeit werden. In der Küche kann man das an der Innenseite des Glasdeckels eines Kochtopfes beobachten oder an beschlagenen Scheiben. Der Fachausdruck für diesen Vorgang ist Kondensation. Erst jetzt ist das Wasser wieder sichtbar: Als Nebel oder Wolke, die aus einer großen Zahl winziger Tröpfchen besteht. Auch diesen „Dampf“ kann man über dem Kochtopf beobachten.

Die Tröpfchen bleiben deshalb eine Wolke, weil sie leicht sind und vom Wind und vom Luftwiderstand in der Höhe gehalten werden. Sie können sich aber miteinander verbinden und zu größeren Tropfen werden. Erreichen ein notwendiges Mindestgewicht, können sie sich nicht mehr in der Luft halten und fallen als Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel) zur Erde hinab. Doch Tröpfchen und vor allem große Tropfen konnen sich nur dann bilden, wenn die Luft mit genug Wasserdampf gesättigt ist (Luftfeuchtigkeit).

nach oben

2.2.2 Einfluß der Zahl der Aerosole

Das heißt: Befinden sich keine Aerosole in der Luft, bilden sich keine Wolken. Je mehr Aerosolteilchen in der Luft schweben, desto mehr Tröpfchen können können entstehen und damit auch mehr Wolken. Sie fördern also Wolkenbildung und Niederschläge.Genauso ist es mit dem Wasserdampf. Je mehr davon aus den Gewässern verdunstet, desto höher ist sein Anteil an der Atmosphäre und desto mehr Tröpchen können kondensieren. Voraussetzung ist natürlich, dass sich genug Wasserdampf in der Luft befindet.

Der Anteil an Aerosolen kann steigen, der des Wassergases aber nur bis zu einem Grenzwert. Danach ist die Luft gesättigt. Befinden sich aber mehr Aerosolteilchen in der Luft als zur normalen Entstehung von Niederschlägen erforderlich, verteilt sich das vorhandene Wassergas auf mehr Aerosolteilchen. Das bedeutet, dass die Tröpfchen kleiner sind. Das hat zwei Effekte:

Die kleineren Tröpfchen sind zu leicht, um abzuregnen. Sie bleiben länger in der Luft. Damit nimmt die Lebensdauer der Wolke zu. Wenn aber Wolken länger existieren, befinden sich zu einem beliebigen Zeitpunkt mehr Wolken in der Luft. Die Bewölkung oder Wolkenbedeckung der Erde steigt also ebenso. Wolken reflektieren die Sonnenstrahlung zurück ins Weltall. Daher gelangt weniger Wärme in die Atmosphäre. Diesen Mechanismus nennen Wissenschaftler den „Cloud lifetime effect“. (Titz, 2007; Stevens, 2009)
Doch je kleiner die Tröpfchen sind, desto weniger streuen sie das Sonnenlicht und desto mehr reflektieren sie es. Damit erhöht sich die Helligkeit der Wolken. Besser spricht man von einem erhöhten Reflexionsvermögen oder einer höheren Albedo. Das kennt man aus der Metallbearbeitung. Je feiner die Bearbeitungsrillen (Riefen) an einer Metalloberfläche sind, desto weniger wirkt sie matt und desto spiegelnder wird sie. Auch ein aufgerauhtes Glas wirkt matt, ein glettes Glas spiegelnd. Die Grenzen zwischen Streuung und Reflexion sind fließend. (Titz, 2007; Spektrum, 2009a)

Es wird also der Strahlungshaushalt beeinflußt. Erstens liegt durch die längere Lebensdauer ein größerer Teil der Erdoberfläche unter Wolken. Zweitens reflektieren diese Wolken mehr Sonnenlicht zurück ins Weltall. Weil sie damit immer mehr Sonnenstrahlung von der Erdoberfläche fernhalten, haben sie eine kühlende Wirkung. Sie sind ein Teil der globalen Abschattung, dem global dimming. Das macht sie zu Gegenspielern der Treibhausgase.

Ein dritter Effekt wirkt dem aber entgegen. Als Björn Stevens und Graham Feingold vom Max-Planck- Institut für Meteorologie in Hamburg die Fachliteratur sichteten, fielen ihnen Ungereimtheiten auf. In der Passatwindregion verkürzten die Aerosole die Lebensdauer statt sie zu verlängern. Sie erklären das dadurch, dass in den entstandenen Cumuluswolken steigt die feuchte Luft weiter auf und bildet in größerer Höhe durch Abkühlung zusätzliche Wassertropfen. Die Wolke dehnt nach oben aus und regnet schneller ab als zuvor. (Spektrum, 2009a)

nach oben

2.2.3 Einfluß der organischen Aerosole

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts (MPI) für Chemie der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz untersuchten den Einfluß organischer Aerosole und ihren Einfluß auf die Wolkenbildung. Zuvor gingen die Atmosphärenforscher davon aus, dass organische Bestandteile von Aerosolen die Wolkenbildung nicht als Kondensationskeim fördern. Doch Erkenntnisse der Gruppe um Stephan Borrmann vom MPI zeigen dass das nicht stimmt. Sie konnte im Dezember 2009 nachweisen, dass die organischen Aerosole nach einiger Zeit in der Atmosphäre sehr ähnliche Eigenschaften annehmen, unabhängig davon, ob sie aus Industrieanlagen, Dieselmotoren oder Pflanzen stammen. Sie altern chemisch. Nur die Anteile der organischen Substanzen wie Sulfate oder Nitrate unterschieden sich. Zur Überraschung der Wissenschaftler ähnelten sie sich, ganz gleich, ob sie nun aus Mexiko, einer japanischen Insel, Finnland oder den Alpen stammten.

Chemische Reaktionen in der Atmosphäre gleichen die Unterschiede aus. Dabei handelt es sich um Oxidation, also die Verbindung mit Sauerstoff. Je länger sich die pflanzlichen Terpene oder Verbrennungsrückstände in der Atmosphäre befinden, desto stärker werden sie oxidiert. Ergebnis dieser Reaktionen sind neue Substanzen, an denen der Wasserdampf sogar besser kondensiert als an den ursprünglichen Stoffen. Photochemisches Altern, also der Einfluß des Sonnenlichts, verändert und vereinheitlicht anschließend die chemische Zusammensetzung. Zum einen bewirkt der höhere Sauerstoffgehalt, dass sich die organischen Aerosole bevorzugt an anderen, auch anorganischen Teilchen anlagern und größere Kondensationskerne bilden. Andererseits sorgt der höhere Sauerstoffgehalt dafür, dass sie mehr Wasser aufsaugen und für eine effektivere Kondensation sorgen. Diese Beobachtungen fanden zunächst nur im Labor statt. Ein Forschungsflugzeug soll in Wolken Wassertröpfchen sammeln. Erst diese Proben können bestätigen, ob die Vorgänge so auch in der Natur stattfinden. (Spektrum, 2009)

Jimenez, L. et al.: Evolution of Organic Aerosols in the Atmosphere. In: Science 326, S. 1525 - 1529, 2009.

nach oben

2.2.4 Beispiele

Dazu einige Beispiele:

Wie ein Team um den Klimatologen Roger A. Pielke sen. von der Universität von Colorado 2000 und 2003 entdeckte, sorgen Ascheteilchen aus Brandrodungen im Amazonasgebiet für mehr Niederschlag. Gewitterwolken existieren länger und ihre Oberseite ist kälter als üblich.
2007 stellte eine Gruppe um den Chemie-Nobelpreisträger Mario Molina von der Universität von Kalifornien in San Diego fest, dass Smog (Aerosolwolken) aus Asien die Schauerbewölkung über dem Nordpazifik um 20 bis 50 Prozent erhöht hat.
William Lau vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA in Greenbelt (Maryland) und Kyu-Myong Kim von der Universität von Maryland in Baltimore untersuchten die Aerosole über Indien. Der dortige Smog verstärke den Monsunregen.
In der Arktis beeinflussen Schmutzpartikel aus Europa und Asien die mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolken. Die Bewölkung nimmt zu und damit steigt auch die infrarote Gegenstrahlung zur Erde um 3,4 Watt pro Quadratmeter. Dieser Effekt ist der Wirkung der Spurengase vergleichbar. Entdeckt wurde er von Dan Lubin von der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla (Kalifornien) und Andrew Vogelmann von der Universität von Kalifornien in San Diego.

Egebnisse des SAMUM-1 Projekts für die Sahara:

Darüber hinaus sind sie Keime für Wolkenbildung. Aber auch Wolken reflektieren das Sonnenlicht und wirken kühlend. An der Obergrenze des Staubteppichs war es mit Null Grad Celsius kalt genug zur Bildung von Eis und Wolken, was die Wissenschaftler sehr überraschte. So kann es zwar regnen oder schneien, doch in den heißeren Luftschichten in Bodennähe verdunstet der Niederschlag wieder. Die Wolken bilden sich, weil der Staub Kondensationskeime bilden, an denen der Wasserdampf kondensiert.

nach oben

2.2.5 Stärke des Effekts

Bislang gelang es nicht, den Einfluss des "Cloud lifetime effect" auf das Klima zu quantifizieren. Die Schätzungen schwanken extrem: Die Skala reicht von gar keinem Einfluss bis hin zu einer Kühlwirkung, die ausreicht, um die Erwärmung durch Kohlendioxid mehr als auszugleichen. Die Forschung kommt in dieser Frage kaum voran. Zwei Forscher vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg (MPI-M) und von der US-amerikanischen "National Oceanic and Atmospheric Administration" (NOAA) schrieben Oktober 2009 in der Fachzeitschrift Nature, dass das Wechselspiel zwischen Aerosolen, Wolken und Niederschlag stark von Einflüssen abhängt, die bislang zu wenig erforscht wurden. Sie forderten ein Forschungskonzept, um die Wissenslücke zu schließen.

Die große Unsicherheit weise darauf hin, dass die Erklärung des Kühlmechanismus durch Aerosole zu stark vereinfacht sei, schreiben Bjorn Stevens vom MPI-M und Graham Feingold vom Earth System Research Laboratory der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in Boulder, Colorado. Die beiden Wolkenforscher haben die Fachliteratur, die seit den 1970er-Jahren zu zum Thema veröffentlicht wurde, analysiert. Dabei stießen sie auf Beobachtungen, die dem "Cloud lifetime effect" widersprechen. Beispielsweise fand eine vor wenigen Jahren durchgeführte Feldstudie, dass Wolken in der Passatwindregion bei Anwesenheit von wenig transparentem Aerosol schneller abregnen, statt langsamer.

Nach ihrer Literaturanalyse sind Stevens und Feingold zu folgendem Schluss gelangt: "Wolken regieren auf Aerosole auf sehr komplexe Weise und die Reaktion hängt stark von der Wolkenart und dem Wolkenzustand ab", sagt Stevens. Das Aerosol-Problem sei deshalb ein Wolken-Problem. "Wir Klimaforscher müssen uns stärker auf das Verständnis von Wolkensystemen konzentrieren", betont der Meteorologe.

Bislang seien Prozesse in den Wolken nicht berücksichtigt worden, die dem Einfluss der Aerosol-Partikel entgegenwirken oder ihn sogar aufheben, schreiben die Forscher. Ein Beispiel: Wenn eine Kumuluswolke mit Aerosolen in Kontakt kommt, regnet sie zwar zunächst nicht ab. Doch das hat Folgen: Die Flüssigkeit steigt nach oben und verdampft über der Wolke. Dabei kühlt sich die über der Wolke liegende Luft ab, wodurch sie empfänglich für eine Ausdehnung der Kumuluswolke nach oben wird. Höhere Kumuluswolken regnen leichter ab als niedrige. Deshalb kommt es nun doch zum Niederschlag. Das Aerosol verhindert in einem solchen Fall nicht das Abregnen der Wolke.

Stevens und Feingold glauben, dass die Kühlwirkung der Aerosole wegen solcher Puffermechanismen eher gering ist. Sie räumen aber ein, dass der "Cloud lifetime effect" nicht per se ungeeignet ist, die durch Aerosole ausgelösten Vorgänge in den Wolken zu erklären. "Es lassen sich eben nicht alle Wolkentypen und -zustände über einen Kamm scheren", sagt Stevens. Er fordert ein Umdenken in der Aerosol-Forschung und zieht einen Vergleich zur Krebsforschung: "Früher dachte man, es gebe einen Entstehungsmechanismus von Krebs. Heute weiß man, dass jede Krebsart für sich erforscht werden muss", sagt der Wissenschaftler. Nach der Meinung von Stevens und Feingold müsse die Forschung zunächst herausfinden, in welchen Wolkensystemen Aerosole den größten Einfluss haben. Sie schlagen vor, mit besonders häufig vorkommenden Wolkenarten zu beginnen, etwa flache Kumulus-Wolken über den Ozeanen (Passatkumuli), die 40 Prozent der Weltmeere bedecken.

Ein Forschungsprojekt des Max-Planck-Institutes für Meteorologie und des Caribbean Institute for Meteorology and Hydrology in Miami soll hier einen Anfang machen. Die zweijährige empirische Feldstudie beginnt 2010 auf der in der Passatregion liegenden Karibikinsel Barbados. Auf deren windzugewandten Seite werden die Forscher Fernerkundungsinstrumente installieren, welche die vom offenen Ozean kommenden Wolken ins Visier nehmen. Ergänzt werden die Bodenmessungen durch Messungen in den Wolken selbst, die vom deutschen Forschungsflugzeug HALO vorgenommen werden. Die Daten aus der Messkampagne sollen helfen, die Beziehungen zwischen Wolkenbedeckung, Niederschlag, umgebenden meteorologischen Bedingungen und Aerosolen besser zu verstehen.

Bjorn Stevens,Graham Feingold, Untangling aerosol effects on clouds and precipitation in a buffered system, Nature, 1. Oktober 2009, Band 461, Seiten 607 - 613 (Stevens, 2009)

nach oben

2.2.6 Studie der Universität Princeton

Die Studie: Wissenschaftler der Universität Princeton bewerteten den Beitrag der kohlenstoffhaltigen Aerosole, feiner Partikel, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden und umgangssprachlich als Ruß bezeichnet werden. Ruß entsteht durch die Verbrennung organischer Substanzen. Die Quellen sind vielfältig und reichen von Dieselmotoren, mit Biomasse betriebenen Herden, dem Verbrennen von Getreide bis zu Buschfeuern. (Princeton, 2010)

Einfluss der Aerosolart: Ruß hat komplexe Auswirkungen auf das Klima, wenn er beispielsweise in der Atmosphäre schwebt oder sich auf Schnee ablagert. Er besitzt zwei Hauptbestandteile: schwarzen und organischen Kohlenstoff. Schwarzer Kohlenstoff ist dunkel, absorbiert Strahlung und erwärmt die Atmosphäre. Organischer Kohlenstoff ist hell gefärbt, reflektiert und tendiert daher zu einem kühlenden Effekt. Diese Effekte sind kompliziert. Denn teils sind sie davon abhängig, wie sie mit anderen Teilchen in der Luft gemischt sind. Teils aber auch, weil beide Aerosoltypen das Klima durch ihren Einfluss auf die Wolkenbildung kühlen können. Schwarzer Kohlenstoff kann aber auch aus der Luft auf Schnee fallen und ihn dunkler färben. Dann absorbiert er mit Wärmeenergie. (Princeton, 2010)

Nicht alle Rußemissionen haben die gleichen Effekt auf das Klima. Sie können sich sowohl durch den Ort als auch durch die Quelle unterschiedlich auswirken. Schwarzer Kohlenstoff kann sich in die Arktis bewegen und im Sommer und Frühling das dortige Eis erwärmen. Daher zeigt es dort eine stärkere Wirkung als in niedrigeren Breitengraden. Darüber hinaus haben unterschiedliche Rußquellen auch unterschiedliche Anteile von Strahlung absorbierendem schwarzem Kohlenstoff und Strahlung reflektierenden organischem Kohlenstoff und Sulfaten. Diejenigen mit haohen Anteilen schwarzen Kohlenstoffs verursachen generell eine stärkere Erwärmung. Die Reduktion von Emissionen aus Dieselmotoren und Kohlebergwerken haben daher größere Vorteile für das Klima als die Reduktion der Emissionen aus mit Biomasse betriebenen Herden und der Verbrennung von Getreide.

„Aber die Effekte auf das globale Klima sind nicht die einzigen Gründe, Rußemissionen zu mindern“, warnte Mauzerall. „Die Reduktion feiner Partikel in der Luft wie Ruß hat eindeutig Vorteile für die Gesundheit der Menschen. Aerosolverschmutzungen können auch Auswirkungen auf das regionale Klima haben. Indische und chinesische Rußemissionen wehen zum Himalaya und lassen dort die Gletscher schneller schmelzen und beeinflussen damit die Wasserversorgung in Indien, China und Bangladesch. Das führt zu Überschwemmungen und anschließender Wasserknappheit.“ (Princeton, 2010)

Einfluss des Einkommens: Während Kohlendioxidemissionen mit dem Wohlstand zunehmen, finden sich die stärksten Rußemissionen in Ländern mit mittlerem Einkommen. 1996 waren beispielsweise China und Indien weltweit für den Ausstoß von 40 Prozent des schwarzen Kohlenstoffs verantwortlich. „Da einige der größten Quellen in Ländern mit mittlerem Einkommen liegen, und weil die Nebeneffekte des Rußausstoßes schnell spürbar sind, könnten die Reduktionen von schwarzem Kohlenstoff auch die Klimaschutzbemühungen in diesen Ländern beschleunigen.“ (Princeton, 2010)

Keine genauen Zahlen zum Anteil: „Wegen der Unsicherheiten in diesen vielen Effekten und wegen der Differenzen darüber, wie diese Effekte in unterschiedlichen Klimamodellen eingebunden werden sollen, variierte der Beitrag des Rußes in früheren Studien stark“, sagte der Postdoktorant Robert Kopp von der Fakultät für Geowissenschaften der Woodrow Wilson School of Public and International Affairs der Princeton University. „Wir nahmen mehrere Schlüsselstudien, stellten sie auf eine gemeinsame Grundlage und bewerteten, was sich dabei herausstellte.“ Beteiligt war auch Professor Denise Mauzerall. Dabei verwendeten sie vier viel zitierte, aber ungleiche Studien, welche die Spanne früherer Vorhersagen umfassten und versuchten, die Ergebnisse zu standardisieren. Um genauere Zahlen zu erhalten, ist weitere Forschung notwendig. Auch die physikalischen Effekte wie die auf die Wolkenbildung sind noch wenig erforscht. (Princeton, 2010)

Acht Jahre Gewinn beim Klimaschutz: Ihre beste Schätzung zeigte, dass die Vermeidung von Rußemissionen aus eingeschlossenen Verbrennungen wie in Dieselmotoren und unkontrollierten Kohlebergwerken der Welt acht Jahre mehr geben würde, um Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. Die Unsicherheit liegt zwischen einem und 15 Jahren. Wenn aber umgekehrt die Emissionen auf dem Stand von 1990 bleiben, müsse man die Kohlendioxidemissionen rascher als bisher mindern, um die gefährliche menschlicheEinmischung in das Klimasystem zu vermeiden. „Unglücklicherweise haben sich die meisten Szenarios zur Abschwächung des Klimawandels auf die Treibhausgase konzentriert“, bedauerte Mauzell. „Das bedeutet: Diese acht Jahre sind momentan nicht acht Jahre, die wir durch Minderung der Rußemissionen gewinnen können. Eher schlagen unsere Ergebnisse vor, dass wir die Kohlendioxidemissionen gegenüber den aktuellen Fahrplänen um acht Jahre beschleunigen müssen.“ (Princeton, 2010)

2.3 Düngung durch Aerosole

2.3.1 Amazonas

Über dem Amazonasgebiet regnet der Sandstaub aus der Sahara ab. Er ist die Nährstoffquelle des Regenwaldes. Denn Pflanzen brauchen nicht nur Kohlendioxid, Luft und Wasser, um in der Photosynthese Zucker herzustellen. Sie brauchen auch Mineralien. Mineralien wie Kalzium, Phosphor oder Kalium, die der Sand liefert. Der tropische Boden selbst enthält kaum Nährstoffe. Dazu kommt das hohe Blätterdach des Waldes. Einige Pflanzen wie Moose, Flechten oder Orchideen siedeln sich weit oben im Geäst an und erreichen den Boden gar nicht. Ohne Wurzeln nehmen sie die Nährstoffe aus der Luft auf. Sie könnten ohne den Dünger aus der Luft nicht überleben, wie seit den frühen Tagen des Amazonaswaldes.

nach oben

2.3.2 Ozeane

Sinkt der phosphat- und eisenhaltige Saharastaub ins Meer, düngt er das pflanzliche Plankton (Phytoplankton). Dazu gehören winzige Algen und Cyanobakterien. Diese Einzeller sind Grundlage der Nahrungskette im Meer.

nach oben

2.4 Hurricanbildung durch Aerosole

Seit den Siebziger Jahren nahm die Stärke tropischer Wirbelstürme rasant zu. Die Zahl der Hurricans der Stärke 4 und 5 hat sich fast verdoppelt. Betroffen ist vor allem Amerika. Warum sie zunehmen, ist noch unbekannt. Ein Drittel bis die Hälfte des Staubs der Sahara gerät in eine Art Autobahn. Passatwinde treiben ihn in Richtung Florida. Die Wirbelstürme bilden sich über warmem Meer wie dem Golf von Mexiko. Die Stürme der sogenannten Hurrican Alley der USA aber haben ihren Ursprung über genau diesem sehr warmen Meer. Je wärmer die Wasseroberfläche und je kühler die darüber liegende Luft, desto kräftiger ist der Hurrican, der dann entsteht.

An welchen Partikeln bildet sich aber Eis zur Wolkenbildung? Auch das ermittelte das SAMUM-1 Projekt. Bekannt ist, dass Körner mit vielen Kanten geeignet sind, also Silikate, und die sind über Wüsten reichlich vorhanden. Im Staubteppich über dem Atlantik befinden sich zu 70-80 Prozent Silikate. Viele Silikate bedeutet viel Wolkenbildung.

Erste Aussage: Über der Wüste findet eine Abkühlung statt, über dem Meer eine Erwärmung. Erwärmung über dem Meer, das bedeutet: Mehr Wolken, es regnet früher, es gibt weniger Verdunstung. Ein Hurrican bekommt seine Energie vom aufsteigenden Wasserdampf. Weniger Wasserdampf bedeutet weniger Luftzirkulation, die Luft über dem Meer beruhigt sich. Die Vermutung der Wissenschaftler war, dass der Saharastaub die Hurricanbildung nicht fördert, sondern dämpft.

nach oben

2.5 Auswirkung auf Menschen (Feinstaub)

Menschen und andere Lebewesen atmen Aerosole ein. Sie bewegen sich mit der eingeatmeten Luft von der Nase oder dem Mund über den Rachen in die Luftröhre, die sich in den Lungen in Bronchien verästeln, die schließlich in Lungenbläschen (Alveolen) enden, in denen sie Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut austauschen. Man spricht hier von Feinstaub. Ein Teil davon bleibt im Atmungssystem. Ob das geschieht, ist abhängig von der Teilchengröße. Dafür gibt Wikipedia (2009) als groben Richtwert an: Teilchen ...

die größer sind als 10 µm werden in dringen gar nicht erst in die Nase vor oder werden in der Nase oder im Rachen abgeschieden.
von 10 µm Größe dringen in den Bronchialbereich vor. Man nennt sie lungengängig.
von 1 bis 10 µm bleiben bereits in den oberen Bereichen und dringen nicht tief in die Lunge ein.
von 0,5 bis 1 µm dringen tief in die Lunge ein,
unter 0,5 µm scheiden sich bereits in den oberen Bereichen ab.

MUMLV (2006) nennt andere Werte: Teilchen ...

mit einem aerodynamischen Durchmesser über 10 µm bleiben in den oberen Atemwegen (Nase, Rachen, Luftröhre). Von dort werden sie durch die Selbstreinigungsmechanismen entsorgt.
mit einem aerodynamischen Durchmesser unter 10 µm (PM10) dringen in die Bronchien vordringen. Ab hier spricht man von Feinstaub und genauer von thorakalem Feinstaub.
mit einem aerodynamischem Durchmesser von 2,5 µm (PM2,5) gelangen bis in die Lungenbläschen. Man spricht von alveolengängigem Staub.
von einem Hundertstel der Größe von Feinstaub überwinden selbst die Membran der Lungenbläschen und gehen in das menschliche Blut über. Sie wirken im Blut oder den Organen. Man bezeichnet sie als ultrafeine Stäube.

Diese ältere Einteilung erscheint einleuchtender. Wie sie sich dann verhalten, hängt vom ihrem Material und vom Ort ab, an dem sie sich abgelagert haben.

Sind sie leicht löslich, verteilen sie sich rasch im ganzen Körper. Manche Stoffe können zu Vergiftungen führen.
Sind sie schwer löslich, können sie mehrere Jahre an ihrem Platz in den Lungenbläschen bleiben. Dennoch ist der Körper nicht wehrlos. Alveolarmakrophagen der Immunabwehr können dazu geeignete Substanzen einschließen und verdauen. Flimmerhärchen können sie aus den Bronchien befördern. So lange sie im Körper bleiben, können die Substanzen Schäden anrichten. Fasern wie Nanoröhren oder Asbest behindern die Arbeit der Makrophagen. Zerfallsprodukte des Radon oder andere durch Alphastrahlung zerfallende radioaktive Substanzen können das Erbgut schädigen. Andere Stoffe lösen Allergien aus. Andererseits bringt die Inhalationstherapie gezielt Medikamente in den Körper.

Besonders problematisch ist laut MUNLV (2006)

der Ruß (vor allem aus Dieselmotoren, für die es wie in Kraftwerken inzwischen Filter gibt)
die Schwermetalle wie Blei und Kadmium (aus Blei- und Zinkhütten)
die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK)
Dioxine, Furane und polychlorierten Biphenyle (PCB) (aus Verbrennungs- und metallurgischen Prozessen)
Arsen (aus Blei- und Zinkhütten)
Nickel und Chrom (aus Edelstahlwerken)

Geltende Grenzwerte begrenzen die Belastung, doch das eigentliche Problem sind die Eigenschaften der Partikel. Untersuchungen an Arbeitsplätzen, im Labor und in Tierversuchen belegen die gesundheitsschädliche Wirkung. 2006 ergaben Experimente, dass sie bereits bei üblichen Konzentrationen auftreten können.

Kurzzeiteffekte sind

Beeinträchtigungen der Atemwege
Auswirkungen auf Herz und Kreislauf
Erhöhte Sterblichkeitsraten.

Zu Langzeiteffekten gab es wegen des hohen Aufwandes zumindest bis 2006 nur sieben international anerkannte Studien. Alle wiesen auf eine erhöhte Sterblichkeit an Herz- und Kreislauferkrankungen hin, zwei davon auch auf Lungenkrebs. Dabei zeigen statistische Berechnungen von 2006, dass eine Verminderung der PM10 Belastung um 10 µg/m³ zu einer um etwa fünf Monate längeren Lebenserwartung führt. Es konnte keine Konzentration angegeben werden, unter der keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen auftreten. Feinstaub aus Dieselruß ist neben seinem Beitrag zum Klimawandel auch gesundheitsgefährdend und gilt als krebserregend, so der Verkehrsclub Deutschland (VCD). (VCD, 2010a)

Mehr über Feinstaub und Verkehr ...

nach oben

Einige Quellen

Engeln, 2007: Henning Engeln, Die Gesetze des Sandes, in: GEO kompakt Nr.12, Die Wüste, Seite 60 bis 72

Engeln, 2006: Henning Engeln, Eingriff in die Atmosphäre, in: GEO kompakt Nr.9, Wetter und Klima, Seite 84 bis 102

Häckel, 2009: Hans Häckel, Meteorologie, Ulmer-Verlag, Stuttgart, 2005

hitec, 2006: Andrea Hauner, hitec: Die Wüste schwebt, Wenn der Saharastaub um die Erde wandert, Fernsehdokumentation, ZDF, 2006

Holzer-Popp, 2009: Dr. rer. nat. Thomas Holzer-Popp, Cluster Angewandte Fernerkundung, Aerosole, Artikel, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Internetangebot des DLR

Prévôt, 2009: Dr. André Prévôt, Leiter der Arbeitsgruppe Gasphasen- and Aerosol-Chemie, Prof. Dr. Urs Baltensperger, Leiter des Labors für Atmosphärenchemie, Paul Scherrer Institut, Rätsel geknackt: Wie Feinstaub erst in der Luft entsteht, Pressemitteilung, Paul Scherrer Institut, 10.12.2009

Princeton, 2010: Agressive action to reduce soot emissions needed to meet climate change goals, Pressemitteilung, Princeton University, Engineering School, 25.6.2010, Originalarbeit: Kopp et al, Assessing the climate benefits of black carbon mitigation, in: Proceedings of the National Academy of Sciences, 21.6.2010, DOI: 10.1073/pnas.0909605107

Schönwiese, 2003: Christian Dietrich Schönwiese, Klimatologie, Ulmer-Verlag, Stuttgart, 2003

Spektrum, 2009: Alternde Schwebteilchen und die Wolkenbildung, spektrumdirekt, www.wissenschaft-online.de, 11.12.2009

Spektrum, 2009a: Aerosole sind doch keine Klimaschützer?, in Spektrum der Wissenschaft, 12/2009 und Nature, Band 461, Seite 607

Stevens, 2009: Prof. Dr. Bjorn Stevens, Bremsen Staubpartikel die Klimaerwärmung?, Pressemitteilung, Max-Planck-Gesellschaft, 1.10.2009

Titz, 2007: Sven Titz, Klima-Fernwirkung von Luftverschmutzungen, in: Spektrum der Wissenschaft Mai 2007, Seite 20ff

VCD, 2010a: Bundeshaushalt 2010, VCD verurteilt Kürzungen zulasten von Umwelt und Gesundheit, Pressemitteilung, Verkehrsclub Deutschland e.V.

Volland, 2009: Adam Volland, Interactions with Aerosols boosts Potencial of some gases, Pressemitteilung, NASA, 29.10.2009, http://www.nasa.gov/topics/earth/features/aerosol_boost.html

nach oben