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Inhalt

3 Messung
4 Forschungsprojekte
4.1 SAMUM Projekt, 2006
    4.2 Satellit Calypso
5 Gas-Aerosol-Wechselwirkungen mit dem Hydroxyl
    5.1 Die Treibhausgase Methan, Kohlendioxid
        5.1.1 Einleitung
        5.1.2 Mehr als nur höhere Konzentrationen
        5.1.3 Ein neuer Ansatz
        5.1.4 Die Konsequenzen der Studie
    5.2 Die Gase der Wälder: Isopren und Monoterpen
        5.2.1 Einleitung
        5.2.2 Die bisherigen Erkenntnisse
        5.2.3 Die Wirkung des Isoprens auf Hydroxylradikale
        5.2.4 Ein Rätsel klärt sich auf
        5.2.5 Wie die Stoffe untersucht wurden
Einige Quellen
Aktualisierungen

3 Messung

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4 Forschungsprojekte

4.1 SAMUM Projekt, 2006

Das Forschungsflugzeug Falcon des Deutschen Instituts für Luft und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen (DLR) maß 2006 über Marokko im Rahmen des Forschungsprojekts SAMUM (arabisch: Wüstensturm) die Auswirkungen des Staubes. Beteiligt waren 40 Atmosphärenphysiker, Geologen und Mineralogen. Die eine Tonne Ausrüstung sollte unter anderem Fragen nach den Eigenschaften des Staubes auf den unterschiedlichen Stationen seines Weges beantworten. Die Website des SAMUM-Projektes: www.tropos.de

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4.2 Satellit Calypso

Der speziell für die Aerosolforschung entwickelte Lasersatellit Calypso der NASA vermißt aus 800 Kilometer Höhe die wandernden Staubteppiche. Er liefert Einblicke in die Entstehung und kann seine Wanderung bis in die Karibik verfolgen.

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5 Gas-Aerosol-Wechselwirkungen mit dem Hydroxyl

5.1 Die Treibhausgase Methan, Kohlendioxid

5.1.1 Einleitung

Seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftler daran, klimawirksame Substanzen wie Spurengase und Aerosolpartikel zu identifizieren und zu messen. Hoch entwickelte Computerprogramme helfen bei der Abschätzung des Einflusses der einzelnen Stoffe. Doch die Natur ist kompliziert und birgt immer neue Überraschungen. Das zeigen auch die Modelle. Ende Oktober 2009 hatten die Forscher der NASA eine neue Erkenntnis. Bestimmte Gase, die eine Erwärmung verursachen, sind mit der Produktion von Aerosolen so eng verbunden, dass die Emissionen eines Schadstoffs die Menge eines anderen indirekt beeinflussen können. Man spricht von Gas-Aerosol-Wechselwirkungen. Sie können den Einfluss zweier klimawirksamer Schlüsselgase verstärken.

„Wir haben seit Jahren gewusst, dass Methan und Kohlenmonoxid eine erwärmende Wirkung haben“, erklärte Drew Shindell, Klimawissenschaftler am New Yorker Goddard Institut für Raumstudien (GISS) der NASA. Er ist leitender Autor einer Studie, die Ende Oktober 2009 veröffentlicht wurde. „Aber unsere neuen Ergebnisse legen nahe, dass diese Gase einen wesentlich stärkeren Einfluss auf die Erwärmung hat, als bisher gedacht.“

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5.1.2 Mehr als nur höhere Konzentrationen

Abbildung 1: Grafische Darstellung der im Text beschriebenen Vorgänge, Grafik: J. Wieprzeck

Chemische Reaktionsketten. Wenn Fahrzeuge, Fabriken, Müllhalden und die Viehwirtschaft Methan und Kohlenmonoxid ausstoßen, tun sie mehr als nur die Konzentration der Gase in der Atmosphäre zu erhöhen. Reaktion heißt in der Chemie, dass sich Atome miteinander zu Molekülen verbinden oder sich wieder trennen. Und genau das tun die zwei Spurengase. Sie reagieren mit anderen Bestandteilen der Luft. Diese zwei Gase, aber auch andere, sind Teil einer komplizierten Kaskade von chemischen Reaktionen, die in Konkurrenz mit hoch reaktiven Molekülen tritt, welche die Luft von Schadstoffen reinigen. Die Gasemission hat also einen direkten Effekt auf eine Vielzahl anderer atmosphärischer Bestandteile. Dazu gehört auch, dass die Produktion von Aerosolen reduziert wird. Die NASA nennt dazu drei Beispiele:

• Sulfat-Aerosole. Menschliche Aktivitäten sind die Hauptquelle für Sulfat-Aerosole, doch sie entweichen nicht direkt aus den Schornsteinen. Es ist vielmehr so, dass die Stromerzeugung aus Kohle und andere industrielle Prozesse Schwefeldioxid ausstoßen. Es ist das gleiche Gas, das aus Vulkanen austritt. Später reagiert es mit so genannten Hydroxyl Radikalen und erzeugt als Nebenprodukt Sulfate.
• Nitrat-Aerosole. Doch Schwefeldioxid ist nicht die einzige Substanz in der chemischen Suppe der Atmosphäre, die mit dem Hydroxyl wechselwirkt. Ähnliche Reaktionen beeinflussen die Entwicklung von Nitrat-Aerosolen.
• Ozon. Hydroxyle sind auch der Antrieb langer Reaktionsketten mit anderen verbreiteten Gasen wie Ozon.

Hydroxyl wird weggefangen. Das hoch reaktive Molekül ist also das Hydroxyl, das in den drei Beispielen immer wieder auftauchte. Es ist so reaktiv, dass Wissenschaftler es als Reinigungsmittel oder Schrubber ansehen. Es reinigt nämlich die Luft von vielerlei Verschmutzungen. Doch Methan und Kohlenmonoxid verbrauchen das Hydroxyl, das sonst Sulfat erzeugen würde. So verringert es die Konzentration von Sulfat-Aerosolen. Auf den ersten Blick ist das eine geringe Veränderung. Doch für das Klima macht es sehr wohl einen Unterschied. „Mehr Methan bedeutet weniger Hydroxyl, weniger Sulfat und damit eine höhere Erwärmung“, erklärt Shindell.

Warum aber bedeutet weniger Sulfat eine Erwärmung? Aerosole können abhängig von ihrer Zusammensetzung entweder einen wärmenden oder kühlenden Effekt haben. Doch die von Shindell modellierten Aerosoltypen, Sulfate und Nitrate, streuen das einfallende Licht und lassen Wolken die Erde abkühlen. Damit vermindern sie die globale Erwärmung. Sind sie in geringerer Menge vorhanden, fehlt ein Teil dieser kühlenden Wirkung und die Erwärmung nimmt zu. Sie sind aber auch mit der Bildung des sauren Regens verbunden und können bei Menschen Atemnot und andere Probleme verursachen. Der saure Regen kann auch zum Versauern von Gewässern führen und Fischsterben verursachen. Die Aerosole beeinflussen also das Klima und die Luftqualität.

Messergebnisse. Das Experiment seines Teams war eines der ersten, die rigoros den Einfluss von Gas-Aerosol-Wechselwirkungen auf Klima und Luftqualität maßen. Es zeigte, dass die Zunahme der globalen Methan-Emissionen eine Abnahme des Hydroxyls um 26 Prozent und eine Abnahme der zahlenmäßigen Konzentration der Sulfat Partikel um 11 Prozent verursacht. Durch die Reduzierung der Sulfate erhöht sich die Klimawirksamkeit des Methans um 20 bis 40 Prozent über den gegenwärtigen (Oktober 2009) Schätzungen. Es hilft aber auch, die negativen Effekte der Sulfat Aerosole auf die Gesundheit zu reduzieren. Im Vergleich dazu errechnete das Modell, dass die globalen Kohlenmonoxid-Emissionen die Konzentration des Hydroxyl um 13 Prozent und der Sulfat-Aerosole um 9 Prozent verringerten.

Stickoxide. „Stickoxide werden größtenteils von Kraftwerken, Lastwagen und Autos freigesetzt. Berücksichtigt man auch ihren Einfluss auf Aerosol-Partikel, hätte es einen kühlenden Effekt“, sagte Nadine Unger, Koautorin und Klimawissenschaftlerin am GISS. Das sei bemerkenswert, weil man bisher Stickoxide hauptsächlich mit der Bildung von Ozon und Erwärmung in Verbindung gebracht hatte.

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5.1.3 Ein neuer Ansatz

Um die Klimawirksamkeit bestimmter Spurengase zu ermitteln, verließen sich Wissenschaftler traditionell auf die Messung ihrer Konzentration in der Luft mit Hilfe von Stationen auf der Erdoberfläche und Satelliten. Die Messwerte haben sie extrapoliert, um ihre globale Wirkung zu schätzen. „Der Nachteil dieses mengenbasierten Ansatzes ist, dass die Menge nicht für die konstanten Wechselwirkungen verantwortlich ist, die zwischen den unterschiedlichen Bestandteilen auftreten“, bemerkte Gavin Schmidt, ein weiterer GISS Klimaforscher und Koautor. Es sei auch nicht leicht, festzustellen, welche Emissionen menschliche oder natürliche Quellen haben.

„Sie bekommen ein viel genaueres Bild davon, wie menschliche Emissionen das Klima beeinflussen und wie Entscheidungsträger dem Klimawandel entgegenwirken können, wenn Sie nicht darauf schauen, was in der Atmosphäre ist, sondern darauf, was an der Oberfläche emittiert wird.“, sagte Shindell, der dieses emissionsbasierten Ansatz zur Grundlage seines Projekts machte. „Doch der mengenbasierte Ansatz ist Grundlage des Schlüssels internationaler Klimaverträge wie dem Kyoto-Protokoll, die Politiker diskutieren. Sie unterschätzen den Beitrag des Methans und des Kohlendioxids auf die Erderwärmung.“ (Volland, 2009)

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5.1.4 Die Konsequenzen der Studie

Folgt man Shindell, unterstreichen die neuen Ergebnisse, dass es wichtig ist, mehrgleisige Strategien zum Klimawandel auszuarbeiten, statt sich ausschließlich auf das Kohlendioxid zu konzentrieren. Seine Berechnungen legen nahe, dass alle Nichtkohlendioxid-Treibhausgase einen Nettoeinfluss haben, der mit der Erwärmung durch das Kohlendioxid konkurriert.

„Die Studie stützt die Vorstellung, dass Vorschläge zur Reduzierung des Methanausstoßes es Politikern leichter machen, Klimavereinbarungen zu treffen. Da wir bereits wissen, wie man Methan von Tieren oder Müllhalden abfängt und Klärwerke zu niedrigen Kosten baut, macht es Sinn, Methan ins Visier zu nehmen“, kommentierte Michael MacCracken, Chefwissenschaftler des Klimainstituts in Washington.

Diese Forschung gewährt einen Einblick darin, wie bestimmte Strategien zur Minderung von Verschmutzungen einen Einfluß auf Klima und Luftqualität haben. Beispielsweise würde die Reduzierung des Kohlenmonoxids positive Effekte auf Klima und Gesundheit haben. Doch das Reduzieren von Stickstoffoxid hätte zwar einen positiven Einfluss auf die Gesundheit, aber einen negativen auf das Klima. „Das Ergebnis ist, dass die Chemie der Atmosphäre furchtbar kompliziert werden kann“, schloß Schmidt. „Einzuordnen, was das Klima beeinflusst und was die Gesundheit, ist nicht einfach. Aber wir machen Fortschritte.“

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5.2 Die Gase der Wälder: Isopren und Monoterpen

5.2.1 Einleitung

Jülich, 17. September 2009 – Bei steigenden globalen Temperaturen verlieren Wälder ihr Potenzial, klimakühlend zu wirken. Ein Team des Forschungszentrums Jülich entdeckte September 2009, dass durch veränderte Ausdünstungen der Bäume die Bildung von Schwebeteilchen erschwert wird. Weil diese Teilchen aber Wolkentröpfchen als Kondensationskeime dienen, wären eine geringere Bewölkung und damit vermehrte Sonneneinstrahlung auf den Erdboden die Folge. Die Ergebnisse der Jülicher Forscher veröffentlichten die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“.

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5.2.2 Die bisherigen Erkenntnisse

Der typische Duft eines Waldes geht von Monoterpenen aus, den Hauptbestandteilen von ätherischen Ölen. Diesen flüchtigen organischen Verbindungen wird eine bedeutende Rolle bei der Bildung von Aerosolen zugeschrieben. Die wiederum sind an der Entstehung von Wolken beteiligt. Weil Bäume bei höheren Temperaturen mehr Monoterpene ausdünsten, sind Forscher bislang zu dem Schluss gelangt, dass steigende Temperaturen für eine verstärkte Wolkenbildung sorgen. Das geschieht vor allem über den Wäldern der nördlichen kaltgemäßigten Klimazone in Skandinavien, Sibirien und Kanada. Die zusätzlichen Wolken mildern die Klimaerwärmung ab, weil dann weniger Sonnenstrahlung bis zum Erdboden durchdringt. So die Lehrmeinung vor den Untersuchungen.

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5.2.3 Die Wirkung des Isoprens auf Hydroxylradikale

Doch die neuen Ergebnisse des Teams der Jülicher Physikerin Dr. Astrid Kiendler-Scharr widersprechen den Erkenntnissen. Die Forscher haben die Wirkung des Stoffes Isopren untersucht. Bäume sondern ihn bei steigenden Temperaturen ebenfalls verstärkt ab. Dabei stellte sich heraus, dass Isopren mit Hydroxylradikalen reagiert. Diese Radikale entstehen in der Atmosphäre unter dem Einfluss von UV-Strahlung aus Ozon und Wassermolekülen. Die Reaktion mit dem Isopren verringert ihre Konzentration in der Luft. Das hat Auswirkungen auf den Energiehaushalt der Erde:

• Die Hydroxylradikale wirken nämlich reinigend, weil sie viele luftverschmutzende Spurengase in der unteren Luftschicht abbauen.
• Sie sind aber auch wichtiger Bestandteil bei der Entstehung der Aerosole, wie das Team um Kiendler-Scharr ebenfalls nachweisen konnte. Ohne diese Radikale können die Monoterpene keine Aerosole bilden.

Das Fazit der Forscher: Isopren nimmt den Monoterpenen die Hydroxylradikale weg. Dadurch nimmt die Produktion von Aerosolen ab. Die Folge davon ist eine Abnahme der Wolkenbildung. Bei steigenden Temperaturen wird die Isopren-Ausdünstung der Wälder wesentlich stärker zunehmen als ihre Monoterpen-Ausdünstung. Daraus haben die Jülicher Wissenschaftler hochgerechnet, dass die Aerosol-Produktion bis zum Jahr 2100 um 20 Prozent vermindert wird. Das würde den Kühleffekt durch Wolken um 12 Prozent verringern.

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5.2.4 Ein Rätsel klärt sich auf

Mit ihrer Entdeckung können die Forscher außerdem ein bisher ungeklärtes Phänomen enträtseln. Weil die Bäume umso mehr Monoterpene abgeben, je wärmer es ist, hatten Wissenschaftler eigentlich erwartet, dass die Aerosol-Produktion über Wäldern im Sommer am größten ist. In Wirklichkeit liegt das Maximum jeweils im Frühjahr und Herbst. Warum das so ist, können Kiendler-Scharr und ihre Kollegen nun erklären: Das Verhältnis der von Bäumen ausgestoßenen Isoprenmenge zur entsprechenden Menge an Monoterpenen ist im Sommer am größten. Deshalb kann die im Sommer erhöhte Monoterpenmenge nichts ausrichten. Zur Aerosolproduktion fehlen nämlich die Hydroxylradikale. Sie werden schließlich vom Isopren verbraucht.

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5.2.5 Wie die Stoffe untersucht wurden

Die Wissenschaftler führten ihre Experimente in einer Pflanzenkammer durch, die mit einigen Birken, Buchen, Fichten und Kiefern bepflanzt wurde. Sie wählten damit absichtlich Bäume aus, die selbst nur sehr wenig Isopren absondern. Das ermöglichte es den Forschern, die Isoprenkonzentration in der Pflanzenkammer durch kontrolliertes Zuführen von Isopren gezielt zu variieren. Sie führten ihr Experiment jeweils einen Tag mit und einen Tag ohne Isopren-Zufuhr durch, um dessen Wirkung auf die Aerosolproduktion zu beobachten. Durch den täglichen Wechsel wurde auch der natürlich schwankenden Monoterpen-Ausdünstung der Bäume Rechnung getragen, da die Ergebnisse sich so über diese Schwankungen mittelten.
Zur Kontrolle ihres Ergebnisses fügten die Forscher schließlich noch eine Eiche zu den Bäumen hinzu. Eichen dünsten große Mengen von Isopren aus. Wie erwartet kam die Aerosolproduktion dadurch nahezu zum Erliegen. (Kiendler-Scharr, 2009)

Original-Veröffentlichung:
"Nature" Vol. 461 No. 7262, pp 381-384
New particle formation in forests inhibited by isoprene emissions, Astrid Kiendler-Scharr, Jürgen Wildt, Miikka Dal Maso, Thorsten Hohaus, Einhard Kleist, Thomas F. Mentel, Ralf Tillmann, Ricarda Uerlings, Uli Schurr, Andreas Wahner

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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

Kiendler-Scharr, 2009: Dr. Astrid Kiendler-Scharr, "Nature": Klimaerwärmung verringert Kühleffekt der Wälder, Pressemitteilung, Forschungszentrum Jülich, 17.9.2009

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

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

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

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

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Autor

Autor: Jörg Wieprzeck
Copyright: © 2002–2010 Biosphaere www.biosphaere.info

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Aktualisierungen

20.11.2009: Artikel angelegt

25.02.2010: Wälder stoßen Monoterpene aus, die zusammen mit Hydroxylradikalen die das Klima kühlenden Aerosole bilden. Die gleichen Wälder stoßen Isopren aus, das die Hydroxylradikale vernichtet.

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