Russpartikel beeinflussen Erderwärmung
Ein Forschungsteam der ETH Zürich hat mit Simulationen auf dem CSCS-Supercomputer "Piz Daint" untersucht, wie sich Alterungsmechanismen von Russpartikeln in der Atmosph?re auf die Wolkenbildung auswirken. Die Ergebnisse zeigen, dass Russalterung die Wolkenbildung und somit das Klima ver?ndert.
Beim Verbrennen von Holz, Erd?lprodukten oder anderen organischen Materialien, gelangen Russpartikel in die Atmosph?re. Diese vom Menschen verursachten Russpartikel bestehen haupts?chlich aus Kohlenstoff und gelten nach Kohlendioxid als zweitwichtigster treibender Faktor für die Klimaerw?rmung: Sie absorbieren in der Atmosph?re oder als Ablagerung auf Schnee- und Eisfl?chen die kurzwellige Strahlung der Sonne und treiben so die Klimaerw?rmung mit voran.
In der Atmosph?re wirken Russpartikel aber auch indirekt auf das Klima, indem sie die Bildung und Entwicklung von Wolken ver?ndern und darüber die Eigenschaften von Wolken beeinflussen. Ein Forschungsteam unter Leitung von Ulrike Lohmann, Professorin am Institut für Atmosph?re 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 Schwefels?ure altern.
Russ-Chemie ver?ndert 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 Schwefels?ure verbinden, ver?ndern sich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, schreibt das Forschungsteam in seiner Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Geoscience publiziert wurde. Durch Ozon gealterte Russpartikel bilden in tieferen Schichten der Atmosph?re Kondensationskeime, aus denen sich Wolken bilden k?nnen. In h?heren Schichten der Atmosph?re wirken jene durch Schwefels?ure 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 herk?mmliche Klimasimulationen.
Das Forschungsteam traf für seine Berechnungen klar definierte Annahmen, indem es den Alterungszustand der Russpartikel, abh?ngig von Temperatur und Ozonkonzentration beschreibt. Beide Faktoren beeinflussen die Alterung massgeblich: Damit Russ durch Ozon rasch altert, müssen Temperatur und Ozonkonzentration hoch sein. Bei der Eiskeimbildung durch Alterung mit Schwefels?ure spielt eine tiefe Temperatur die entscheidende Rolle.
Ver?nderte Wolkenbildung führt zur Erw?rmung
Simulationen von ozongealtertem Russ zeigen, dass sich bei einer Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosph?re im Vergleich zur vorindustriellen Zeit weniger tiefliegende Wolken bilden. Zun?chst bilden sich durch die Ozon-Alterung von Russ zwar deutlich mehr Wolkentr?pfchen. 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 w?rmeren Klima?, erkl?rt Lohmann. ?In einem w?rmeren 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 erw?rmt sie.
Die durch Schwefels?ure gealterten Russpartikel bewirken hingegen, dass sich mehr Eiskristalle bilden und die Zirruswolken optisch dicker werden, das heisst, sie sind weniger durchl?ssig für Strahlung. Sie reichen bis zur Tropopause hin, die sich in 10-?18 Kilometer H?he befindet, und verweilen zudem l?nger in h?heren Bereichen der Atmosph?re. Infolgedessen absorbieren die Zirruswolken mehr langwellige W?rmestrahlung, die die Erde abstrahlt, und lassen weniger davon in Richtung Weltraum entweichen. Der w?rmende Effekt der Zirren nimmt zu und die Erderw?rmung wird zus?tzlich vorangetrieben: Wenn sich der Kohlendioxidgehalt in der Atmosph?re gegenüber der vorindustriellen Zeit verdoppelt, führen beide Arten der Russ-?Alterung zusammen zu einer um 0,4 bis 0,5 ?C h?heren Erderw?rmung. Infolgedessen werde der Wasserzyklus weiter beschleunigt und der globale Niederschlag weiter zunehmen, schreiben die Forschenden.
Weitere Studien in der auch Aerosole von Waldbr?nden, Flugzeug- oder Automotoren einbezogen und Feld- und Labormessungen mit Simulationen kombiniert werden, k?nnten ein noch klareres Bild über die Auswirkung der Russ-Aerosole geben. Sie k?nnten zudem helfen, Strategien zur Emissionsminderung zu entwickeln. ?Das k?me nicht nur dem Klima und der Luftqualit?t zugute, sondern auch der Gesundheit der Menschen?, betont Neubauer.
Dieser Text von Simone Ulmer erschien in Englisch auf der Website des externe Seite CSCS.
Literaturhinweis
Lohmann U, Friebel F, Kanji ZA et al: Future warming exacerbated by aged-soot effect on cloud formation, Nat. Geosci. 13, 674–680 (2020). DOI: externe Seite doi.org/10.1038/s41561-020-0631-0