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Einfluss von Aerosolen auf das Klima

Aerosole sind feine Partikel von flüssiger oder fester Substanz. Ihre Grössen befinden sich im Bereich von Nano- bis Mikrometern. Aerosolkonzentrationen variieren räumlich stark und schwanken mit der Zeit. Aerosole haben in der Tendenz einen kühlenden Effekt auf das Klima, da sie Sonnenlicht ins Weltall zurück reflektieren. Zudem benötigt es Aerosole, damit überhaupt Wolken entstehen können. Deshalb spielen sie für die Beobachtung und die Erforschung des Klimas eine wichtige Rolle.

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Aerosole sind feste oder flüssige Luftpartikel. Sie entstehen durch natürliche Prozesse (Bodenerosion, Meersalz, Waldbrände) oder sind menschgemacht (Verbrennung von Erdöl, Kohle, Erdgas oder Holz, Landwirtschaft, Verkehr und andere). Obwohl sie negative Folgen für die menschliche Gesundheit haben können, spielen Aerosole für das Klima eine wichtige Rolle. Einerseits sind Aerosole die einzigen Inhaltsstoffe unserer Atmosphäre, die einen kühlenden Effekt auf das Klima haben. Je nach chemischer Zusammensetzung der Partikel streuen Aerosole Sonnenstrahlung zurück ins Weltall und reduzieren so die Oberflächentemperatur. Andererseits braucht es Aerosole, damit überhaupt Wolken entstehen können. Sie haben die Rolle der sogenannten Wolken-Kondensationskeime: wenn die Luft wasserübersättigt ist, kondensiert das Wasser an der Oberfläche der Aerosole und bildet so Wolkentropfen. Je mehr dieser Tropfen entstehen und miteinander kollidieren, umso rascher wachsen sie zu Regentropfen heran und fallen zu Boden. Wenn sich die Zahl der Aerosole in einer bereits bestehenden Wolke erhöht, wird auch die Zahl der Wolkentropfen grösser. Als Folge davon werden die Wolkentropfen aber kleiner. Das Resultat ist zum einen, dass die Wolke von oben gesehen heller erscheint, sie reflektiert mehr Licht und verstärkt somit den kühlenden Effekt aufs Klima. Zum anderen wird die Niederschlagsbildung möglicherweise verzögert und sogar reduziert.

Trotz einer erheblichen Unsicherheitsmarge geht die Forschungsgemeinschaft davon aus, dass Aerosole demnach der von Treibhausgasen verursachten Klimaerwärmung entgegenwirken. Allerdings haben Aerosole eine sehr geringe Lebensdauer von höchstens einigen Wochen, während Treibhausgase mehrere tausend Jahre in der Atmosphäre verbleiben können.

Aerosol-Beobachtungen

Das internationale Programm mit dem Namen Global Atmosphere Watch (GAW) hat das Ziel, die zeitliche Entwicklung der Luftverschmutzung durch Aerosole und ihre Eigenschaften im Hinblick auf klimatische Einflüsse über Jahrzehnte zu erfassen. Das Beobachtungsprogramm wird vom Labor für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut (PSI) betrieben. Die GAW-Station befindet sich auf dem Jungfraujoch (3580 m ü.M.). Die Beobachtungen auf dem Jungfraujoch gehören weltweit zu den umfangreichsten.

Aufgrund der grossen Höhe des Jungfraujochs, liegt die Messstation teilweise in der freien Troposphäre. Die Troposphäre ist die Zone in der Atmosphäre, in der unser Wetter stattfindet. Diese wird wieder unterteilt in die Grenzschicht – die unterste Ebene der Atmosphäre, die regelmässig durch natürliche Prozesse und menschliche Aktivitäten mit Aerosolen gefüttert wird – und die freie Troposphäre. Die freie Troposphäre ist gewissermassen entkoppelt von der Grenzschicht. Damit Aerosole die freie Troposphäre erreichen, ist vertikaler Transport notwendig. Deshalb sind Aerosolkonzentrationen am Jungfraujoch typischerweise tiefer als die bewohnten Regionen in der Grenzschicht.

Am Jungfraujoch kann bei allen gemessenen Aerosolparametern ein deutlicher Jahresgang beobachtet werden. Das hängt mit dem sommerlichen vertikalen Transport von Aerosol-beladener Luft aus der Grenzschicht in Richtung Berge und in die freie Troposphäre zusammen. Im Sommer erwärmt sich die Luft über dem Mittelland und steigt auf, weil sie leichter ist als kühle Luft.

Eine Trendanalyse der Streuungs- und Absorptionskoeffizienten sowie der Partikelzahlen in den letzten 10 bis 15 Jahren (Collaud Coen et al., 2020, Asmi et al., 2013) ergab fast weltweit eine insgesamt deutlich geringere Luftbelastung durch Aerosole. Einer der wichtigsten Parameter für die Charakterisierung der klimatischen Auswirkungen von Aerosolen ist die Einfachstreualbedo. Der insbesondere in Osteuropa, in der Arktis und in Asien zu beobachtende Anstieg dieses Parameters zwischen 2009 und 2018 bedeutet, dass die Aerosole in dieser Zeit das Klima stärker abzukühlen vermochten. Allerdings wirken die in Nordamerika und Westeuropa geltenden Umweltschutzstandards, mit denen die gesundheitsschädlichen Auswirkungen der Aerosole minimiert werden sollen, auch ihrer temperatursenkenden Wirkung auf das Klima entgegen. Die optimale Lösung sowohl für die Volksgesundheit als auch für das Klima ist demnach eine dekarbonisierte Gesellschaft.

Collaud Coen, M. et al.: Multidecadal trend analysis of in situ aerosol radiative properties around the world, Atmos. Chem. Phys., 20, 8867–8908, 2020. Multidecadal trend analysis of in situ aerosol radiative properties around the world”: https://doi.org/10.5194/acp-20-8867-2020

Asmi, A.; Collaud Coen, M.; Ogren, J. A.; Andrews, E.; Sheridan, P.; Jefferson, A.; Weingartner, E.; Baltensperger, U.; Bukowiecki, N.; Lihavainen, H.; Kivekäs, N.; Asmi, E.; Aalto, P. P.; Kulmala, M.; Wiedensohler, A.; Birmili, W.; Hamed, A.; O'Dowd, C.; G Jennings, S.; Weller, R.; Flentje, H.; Fjaeraa, A. M.; Fiebig, M.; Myhre, C. L.; Hallar, A. G.; Swietlicki, E.; Kristensson, A. and Laj, P. Aerosol decadal trends: Part 2: In-situ aerosol particle number concentrations at GAW and ACTRIS stations Atmos. Chem. Phys., 2013, 13, 895-916

Collaud Coen, M., Weingartner, E., Furger, M., Nyeki, S., Prévôt, A.S.H., Steinbacher, M., and Baltensperger, U.: Aerosol climatology and planetary boundary influence at the Jungfraujoch analyzed by synoptic weather types, Atmos. Chem. Phys., 11, 5931-5944, 2011.

Collaud Coen, M., Weingartner, E., Apituley, A., Ceburnis, D., Fierz-Schmidhauser, R., Flentje, H., Henzing, J. S., Jennings, S. G., Moerman, M., Petzold, A. and others: Minimizing light absorption measurement artifacts of the Aethalometer: evaluation of five correction algorithms, Atmos. Meas. Tech., 3, 457-474, 2010.

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