Menschlicher und natürlicher Einfluss auf Wolkenbildung berechnet

Wenn neue Partikel in der Atmosphäre entstehen, beeinflusst das die Wolkenbildung und damit auch das Klima. Im CLOUD-Experiment am CERN werden die komplexen Prozesse seit einigen Jahren in einem großen Luftbehälter nachgestellt. Forscher haben die Ergebnisse nun erstmals genutzt, um die Entstehung von Aerosolpartikeln in allen Regionen der Erde und in verschiedenen Höhen zu berechnen.

Die in der Fachzeitschrift „Science“ publizierte Studie unter Beteiligung von Forschern der Goethe-Universität entschlüsselt die Rolle der verschiedenen chemischen Systeme, die für die Partikelbildung verantwortlich sind. Sie ermittelten außerdem den Einfluss von Ionen, die durch kosmische Strahlung entstehen.

Rußpartikel, aufgewirbelter Staub oder Gischt machen nur einen Teil der Partikel in der Atmosphäre aus. Andere entstehen erst aus bestimmten Spurengasen, beispielsweise wenn sich einzelne Schwefelsäure- und Wassermoleküle zu winzigen Tröpfchen zusammenlagern. Diese Partikelneubildung wird Nukleation genannt. Wolken bilden sich, indem das Wasser an den größeren Aerosolpartikeln kondensiert.

Je mehr Wolkentröpfchen entstehen, desto mehr Sonnenlicht wird ins Weltall zurück reflektiert. Klimamodelle zeigen, dass durch die zusätzlichen vom Menschen verursachten Partikel ein kühlender Effekt entsteht, der den Treibhauseffekt teilweise kompensiert. Jedoch ist dieser geringer, als bisher angenommen.

Aerosolpartikel durch Schwefelsäure- und Ammoniak-Emissionen

Die in „Science“ vorgestellten Modellrechnungen belegen, dass etwa die Hälfte der Kondensationskeime in der Atmosphäre durch Nukleation entsteht. In der heutigen Atmosphäre wird die Partikelbildung fast überall durch Mechanismen dominiert, bei denen mindestens drei chemische Komponenten zusammenkommen müssen: neben den beiden Grundsubstanzen Schwefelsäure und Wasser sind dies entweder Ammoniak oder bestimmte organische Verbindungen wie Oxidationsprodukte von Terpenen. Nahe am Erdboden sind die organischen Substanzen aus natürlichen Quellen wichtig, weiter oben in der Troposphäre spielt Ammoniak eine Hauptrolle. Die Ammoniak- und auch die Schwefelemissionen haben in den vergangenen Jahrzehnten durch menschlichen Einfluss stark zugenommen.

Kaum Klimaeinflüsse durch Sonnenzyklen

CLOUD hat ebenfalls untersucht, wie der 11-Jahres-Sonnenzyklus die Bildung von Aerosolpartikeln in der heutigen Atmosphäre beeinflusst. Die Modellrechnungen zeigen, dass die Effekte durch Veränderungen der Ionisation durch die Sonne zu klein sind, um einen deutlichen Beitrag zur Wolkenbildung zu leisten. Obwohl die Ionen ursprünglich an der Entstehung von fast einem Drittel aller neugebildeten Partikel beteiligt sind, ändert sich die Konzentration der großen Wolkenkondensationskeime im Laufe des 11-Jahreszyklus nur um 0,1 Prozent – zu wenig um nennenswerte Einflüsse auf das Klima zu verursachen.

Kühlende Effekte 27 Prozent geringer als erwartet

Auch zur Aerosolbildung, die ohne die Beteiligung von Schwefelsäure allein durch schwerflüchtige Substanzen biologischen Ursprungs verursacht wird, hat das CLOUD-Team jetzt erste globale Modellrechnungen vorgelegt (Gordon et al., PNAS). Dieser Prozess hat demnach insbesondere in der vorindustriellen Atmosphäre stark zur Partikelbildung beigetragen, da damals wesentlich weniger Schwefelkomponenten in die Atmosphäre gelangten. Die Menge der Partikel in der vorindustriellen Atmosphäre wird durch den zusätzlichen Prozess nun deutlich größer eingeschätzt als nach früheren Berechnungen. Die Modellrechnungen, die auf den Daten aus dem CLOUD-Experiment beruhen, ergeben, dass die kühlenden Wolkeneffekte durch zusätzliche vom Menschen gemachte Partikel um 27 Prozent kleiner ausfallen als in Klimasimulationen ohne diesen Effekt: Statt einer Abkühlung in Höhe von 0,82 W/m2 ergeben sich nun nur noch -0,60 W/m2.

E.M. Dunne, et al., 2016: Global particle formation from CERN CLOUD measurements, Science First Release, doi: 10.1126/science.aaf2649

Dieser Artikel erscheint online via First Release im Journal Science am Donnerstag, 27. Oktober 2016. http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaf2649

H. Gordon, et al., 2016: Reduced anthropogenic aerosol radiative forcing caused by biogenic new particle formation, PNAS, 113 (43) 12053-12058; published ahead of print October 10, 2016, doi:10.1073/pnas.1602360113
http://www.pnas.org/content/113/43/12053.abstract

Informationen: Prof. Dr. Joachim Curtius, Institut für Atmosphäre und Umwelt, Campus Riedberg, Tel.: (069)798-40258, curtius@iau.uni-frankfurt.de