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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 Partikel, die in der Luft schweben und durch natürliche (Bodenerosion, Meeresgischt, Waldbrände, Vulkane ...) oder anthropogene (Verbrennung von Öl, Gas, Holz, Landwirtschaft, Verkehr ...) Prozesse entstehen. Obwohl sie gesundheitsschädlich sind, sind sie das einzige Element in der Atmosphäre, das das Klima abkühlen kann. Je nach ihrer chemischen Zusammensetzung und Größe reflektieren Aerosole die Sonnenstrahlung in den Weltraum und senken so die Bodentemperatur.
Aerosole sind auch für die Bildung von Wolken notwendig. Sie fungieren als "Kondensationskerne": Wenn die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, kondensiert das Wasser an der Oberfläche der Aerosole und bildet Tröpfchen. Diese Tröpfchen vergrößern sich, bis sie eine dichte Wolke bilden und Niederschlag verursachen. Wenn wir die Anzahl der Aerosole erhöhen, werden die Wolken aus mehr, aber kleineren Wassertropfen bestehen. Die Wolken werden dann heller und reflektieren mehr Sonnenstrahlung in den Weltraum, was durch einen indirekten Effekt der Aerosole tendenziell zu einer Abkühlung des Klimas führt. Außerdem wird dies zu weniger Niederschlag führen, da die kleineren Tropfen in der Luft schweben bleiben.

Trotz einer großen Unsicherheitsspanne wird in der Wissenschaft anerkannt, dass Aerosole auf diese Weise zur Verringerung der durch Treibhausgase verursachten globalen Erwärmung beitragen. Aerosole haben jedoch eine sehr kurze Lebensdauer von höchstens einigen Wochen, während Treibhausgase bis zu mehreren tausend Jahren in der Atmosphäre verbleiben können.
Direkter Aerosoleffekt auf die Sonneneinstrahlung und Einfluss von Aerosolen auf Wolken- und Niederschlagsbildung
Schematische Darstellung der Einflüsse von Aerosolen auf das Klima

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.
Grafik der Messreihe von 1995 bis 2016 von Aerosolkonzentration, Streuungskoeffizient und Absorptionskoeffizient.
Zeitreihe von Aerosolkonzentrationen und optischen Eigenschaften am Jungfraujoch. Der Streuungskoeffizient (scattering coefficient) gibt an, wie stark Aerosole das Sonnenlicht streuen. Ein hoher Wert bedeutet stärkere Streuung. Der Absorptionskoeffizient (absorption coefficient) zeigt an, wie stark Aerosole die Energie der Solarstrahlung aufnehmen und so die Umgebung aufheizen. Ein hoher Wert bedeutet starke Absorption. Diese optischen Eigenschaften hängen von der chemischen Zusammensetzung der Aerosole und deren Konzentration ab.
  • Aerosolmessungen
  •
    GAW-Programm
  •
    Weitere Informationen zu den Messprogrammen des Paul Scherrer Instituts PSI

Dekadische Trends der Einfachstreualbedo an GAW- und IMPROVE-Stationen.
Dekadische Trends der Einfachstreualbedo an allen Stationen der beiden Messkampagnen GAW und IMPROVE, die mehr als 10 Jahre Messungen aufweisen im Zeitraum 2009-2018. An Stationen mit einem schwarzen Symbol sind die Trends nicht signifikant.

Die globale Analyse von Streuungs- und Absorptionskoeffizienten und Aerosolkonzentrationen über 10-15 Jahre zwischen 1993 und 2010 zeigte eine Reduktion der Aerosolmengen vor allem in Nordamerika und eine relativ konstante Werte im europäischen Raum (Collaud Coen et al., 2013, Asmi et al., 2013). Der Unterschied zwischen den beiden Kontinenten liegt in den Zeitpunkten für gesetzliche Massnahmen zur Beschränkung der Luftverschmutzung. Diese passierten in Europa ungefähr 10 Jahre früher (in den 1980er-Jahren) als in den USA. Es ist aber zu beachten, dass die europäischen Stationen alle in der Höhe liegen und deshalb womöglich nicht repräsentativ sind für Entwicklungen in den städtischen Gebieten.

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.

Weiterführende Informationen
  •
    Die Forschungsstation auf dem Jungfraujoch
  • Saharastaub-Ereignisse
  •
    Die aktuellen Messwerte auf dem Jungfraujoch
  •
    Daten von Aerosolmessungen und vielen anderen Parametern, zum Herunterladen (Englisch)

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