Rußpartikel beeinflussen Erderwärmung

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Auswirkung auf Wolkenbildung

Ein Forscherteam der ETH Zürich hat mit Simulationen auf dem CSCS-Supercomputer „Piz Daint“(CSCS – Centro Svizzero di Calcolo Scientifico) untersucht, wie sich Alterungsmechanismen von Rußpartikeln in der Atmosphäre auf die Wolkenbildung auswirken. Die Wolkenbildung wird durch alternde Rußpartikel in der Atmosphäre stärker beeinflusst als erwartet. Die am 03.11.2020 publizierten Ergebnisse (auch in Nature Geoscience) zeigen, dass Rußalterung die Wolkenbildung und somit das Klima verändert.

Wolken über Avinyonet de Puigventós, Katalonien - Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Wolken über Avinyonet de Puigventós, Katalonien – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Beim Verbrennen von Holz, Erdölprodukten oder anderen organischen Materialien, gelangen Rußpartikel in die Atmosphäre. Diese vom Menschen verursachten Rußpartikel bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und gelten nach Kohlendioxid als zweitwichtigster treibender Faktor für die Klimaerwärmung: Sie absorbieren in der Atmosphäre oder als Ablagerung auf Schnee- und Eisflächen die kurzwellige Strahlung der Sonne und treiben so die Klimaerwärmung mit voran.

In der Atmosphäre wirken Rußpartikel aber auch indirekt auf das Klima, indem sie die Bildung und Entwicklung von Wolken verändern und darüber die Eigenschaften von Wolken beeinflussen. Ein Forscherteam unter Leitung von Ulrike Lohmann, Professorin am Institut für Atmosphäre und Klima an der ETH Zürich, hat nun erstmals untersucht, wie zwei bestimmte Arten von Rußpartikeln den Wolkenzyklus und somit das Klima beeinflussen: zum einen Ruß-Aerosole die durch Ozon altern und zum anderen solche die durch Schwefelsäure altern.

Ruß-Chemie verändert die Wolkenbildung

„Bis anhin ging man davon aus, dass diese zwei Arten der Ruß-Alterung die Wolkenbildung und das Klima nur wenig beeinflussen“, sagt David Neubauer, wissenschaftlicher Programmierer in der Forschungsgruppe von Lohmann. Die Ergebnisse der nun durchgeführten Simulationen auf dem CSCS-Supercomputer „Piz Daint“ zeichnen jedoch ein anderes Bild.

Wenn sich Rußpartikel mit Ozon oder Schwefelsäure verbinden, verändern sich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, schreiben die Forscher in ihrer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Geoscience publiziert wurde.  Durch Ozon gealterte Rußpartikel bilden in tieferen Schichten der Atmosphäre Kondensationskeime, aus denen sich Wolken bilden können. In höheren Schichten der Atmosphäre wirken jene durch Schwefelsäure gealterten Rußpartikel hingegen als Eiskeime und lassen Zirruswolken entstehen.

Das Team simulierte wie die unterschiedlich alternden Rußpartikel die Wolkenbildung und infolgedessen das Klima, von der vorindustriellen Zeit bis in die Zukunft, beeinflussen. Bei diesen Simulationen wird die Entwicklung der Aerosolpartikel gekoppelt an die Physik der Wolkenbildung interaktiv berechnet. Das ist aufwendig und braucht mehr Rechenzeit als herkömmliche Klimasimulationen.

Die Forscher trafen für ihre Berechnungen klar definierte Annahmen, indem sie den Alterungszustand der Rußpartikel, abhängig von Temperatur und Ozonkonzentration beschrieben. Beide Faktoren beeinflussen die Alterung maßgeblich: Damit Ruß durch Ozon rasch altert, müssen Temperatur und Ozonkonzentration hoch sein. Bei der Eiskeimbildung durch Alterung mit Schwefelsäure spielt eine tiefe Temperatur die entscheidende Rolle.

Veränderte Wolkenbildung führt zur Erwärmung

Simulationen von ozongealtertem Ruß zeigen, dass sich bei einer Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre im Vergleich zur vorindustriellen Zeit weniger tiefliegende Wolken bilden. Zunächst bilden sich durch die Ozon-Alterung von Ruß zwar deutlich mehr Wolkentröpfchen. Ihre hohe Konzentration führt jedoch dazu, dass sich der obere Wolkenrand schneller abkühlt und von oben mehr trockene Luft beigemischt wird.  „Dadurch verdunsten die Wolken schneller, vor allem in einem wärmeren Klima“, erklärt Lohmann. „In einem wärmeren Klima hat die zugemischte Luft auch eine niedrige relative Luftfeuchtigkeit.“ Durch die schnellere Verdunstung bleiben weniger tiefliegende Wolken zurück, und mehr kurzwellige Strahlung erreicht die Erde und erwärmt sie.

Die durch Schwefelsäure gealterten Rußpartikel bewirken hingegen, dass sich mehr Eiskristalle bilden und die Zirruswolken optisch dicker werden, das heisst, sie sind weniger durchlässig für Strahlung. Sie reichen bis zur Tropopause hin, die sich in 10-18 Kilometer Höhe befindet, und verweilen zudem länger in höheren Bereichen der Atmosphäre. Infolgedessen absorbieren die Zirruswolken mehr langwellige Wärmestrahlung, die die Erde abstrahlt, und lassen weniger davon in Richtung Weltraum entweichen. Der wärmende Effekt der Zirren nimmt zu und die Erderwärmung wird zusätzlich vorangetrieben: Wenn sich der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre gegenüber der vorindustriellen Zeit verdoppelt, führen beide Arten der Ruß-Alterung zusammen zu einer um 0,4 bis 0,5 ºC höheren Erderwärmung. Infolgedessen werde der Wasserzyklus weiter beschleunigt und der globale Niederschlag weiter zunehmen, schreiben die Forschenden.

Weitere Studien in der auch Aerosole von Waldbränden, Flugzeug- oder Automotoren einbezogen und Feld- und Labormessungen mit Simulationen kombiniert werden, könnten ein noch klareres Bild über die Auswirkung der Ruß-Aerosole geben. Sie könnten zudem helfen, Strategien zur Emissionsminderung zu entwickeln. „Das käme nicht nur dem Klima und der Luftqualität zugute, sondern auch der Gesundheit der Menschen“, betont Neubauer. (Simone Ulmer).

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