Ein Schirm aus Dreck und Wasser

Aerosole Wolken stellen Wissenschaftler vor Probleme: Man weiß zu wenig über sie, um ihren Einfluss auf das Klima zu berechnen. Die Erforschung kleinster Partikel soll helfen

Viele Klimaskeptiker bestreiten schon lange nicht mehr, dass es einen anthropogenen Klimawandel – also eine vom Menschen selbst gemachte Erderwärmung – gibt. Allerdings bestreiten sie hartnäckig, dass sich die Menschheit deshalb Sorgen machen sollte. Weil es zum Beispiel die Wolken gibt: Die würden durch einen globalen Temperaturanstieg und die wachsende Menge an verdunstetem Wasser mehr werden – und hielten als natürliches Regulativ Sonnenstrahlen von der Erde fern, als eine Art Kühlmäntelchen also. So einfach ist das natürlich nicht. Aber dass sich die Klimaskeptiker auf diese letzte Bastion zurückziehen können, hat einen Grund: In der Modellierung des Klimawandels sind Wolken der größte Unsicherheitfaktor. Welche Auswirkungen sie haben, kann bisher kein Wissenschaftler sicher voraussagen.

Zunächst sind Wolken auch nicht gleich Wolken. Manche Wolkentypen kühlen, andere wärmen, und sie tun es genau anders, als man denkt: Gerade die dicken, bauschigen Kumuluswolken aus Wassertröpfchen, die recht nahe über der Erdoberfläche zu finden sind, wirken kühlend. Sie reflektieren die Strahlung der Sonne zurück ins Weltall. Die Wärmestrahlen, die die Erdoberfläche wie eine Herdplatte in die Atmosphäre abgibt, werden durch die Kumuluswolken dagegen kaum zurück auf die Erde geworfen, da die Wolken eine ähnliche Temperatur haben wie die Strahlung selbst. Anders die höher schwebenden Zirruswolken: Es sind ausgerechnet diese dünnen Schleier aus Eiskristallen, die die Erde aufheizen. Erstens lassen sie das Licht der Sonne passieren. Zweitens werfen sie die Wärmestrahlen von der Erde wieder zurück auf die Oberfläche.

Die große Frage ist nun, welchen Einfluss die Erwärmung der Atmosphäre auf die Wolkentypen hat. „Die meisten Modelle zeigen, dass die tiefliegenden Wolken ab- und die hochgelegenen zunehmen“, sagt Ulrike Lohmann, Wolkenexpertin vom Institut für Atmosphäre und Klima in Zürich. Dass sich die Wolken in der Höhe verschieben, spreche eher für eine Verstärkung der globalen Erwärmung. Allerdings schränkt Lohmann ein, dass die Modelle noch unausgereift und viele Prozesse innerhalb der Wolken unverstanden sind. „Noch können wir das Innere der Wolken nicht besonders gut verstehen“, sagt die Atmosphärenphysikerin.

Das liegt vor allem am Unwissen über Teilchen, die in ihrer mittleren Größe etwa 2000 mal kleiner sind als der Punkt am Ende dieses Satzes. Ohne fein in der Luft verteilte Partikel, sogenannte Aerosole, kann keine einzige Wolke entstehen. Wenn erwärmte Luft aufsteigt, verdichtet sich der Wasserdampf. Und je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. In kälteren Luftschichten oder bei sehr viel Feuchtigkeit ist die Luft dann irgendwann gesättigt – sie kann nichts mehr aufnehmen, das Wasser muss zu Tröpfchen kondensieren. Und dafür braucht es Kondensationskeime: die Aerosole.

Sie entstehen etwa durch Waldbrände oder Vulkanausbrüche, aber auch in Kraftwerken, wenn Kohle oder Öl verfeuert werden. Die Wassertröpfchen einer Wolke bilden sich um diese Feinstaubpartikel herum. Je weniger Staubpartikel in der Luft sind, desto größere Wassertropfen entstehen, es regnet schnell. Je mehr Aerosole in der Luft sind, desto feiner verteilt sich das Wasser an den Kleinstpartikeln und es bilden sich nur winzige Wassertröpfchen. Die Wolken wirken heller und regnen kaum ab. Das ist etwa der Fall über Großstädten mit viel Industrie, wo die Luft besonders verschmutzt ist.

Forschung im Jet

Aerosole spielen mithin eine zentrale Rolle in der Wolkenbildung und damit fürs Klima. Neben natürlichen Quellen wie Mineralstaub aus der Wüste, Seesalz aus der Meeresgischt oder Bakterien dienen vor allem menschengemachte Stäube als Kristallisationskeime, Ammoniumsulfat aus der Verbrennung von fossilen Energieträgern etwa.

In der Atmosphäre wirken Aerosole zudem als Gegenspieler der Treibhausgase: Sie reflektieren die Sonneneinstrahlung und wirken kühlend auf die Erde. Als 1992 der Vulkan Pinatubo auf den Philippinen ausbrach, führte die Aschewolke zu einem globalen Temperaturabfall von einem halben Grad. Überhaupt haben Aerosole in den vergangen 200 Jahren die Erwärmung abgemildert – bis die Industriestaaten Ende der siebziger Jahre Filter in ihre Kohlekraftwerke einzubauen begannen und den Klimawandel auf neue Art beschleunigten. Sobald China seine Industrie modernisiert und bessere Schwefel- und Rußfilter einbaut, wird dieser Vorschub nochmals größer.

Die Frage ist nur: Wie groß? Verglichen mit Treibhausgasen und Sonnenleistung haben Forscher die Aerosole bisher nicht eingehend genug untersucht. Welche Effekte die Kleinstpartikel auf Temperatur, Wolken und Niederschlag haben werden, bleibe unsicher, geben auch die Autoren des jüngsten Reports des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) zu.

Ulrike Lohmann ist eine der führenden Forscherinnen auf diesem Gebiet. Nach 20 Jahren Klimaforschung und zehn Jahren Laborarbeit hat sie detailliertere Einblicke in die Welt der Aerosole gewonnen und kann heute im Labor recht gut simulieren, was in einer Wolke geschieht. Regelmäßig fährt sie nach Hohn in Schleswig-Holstein auf einen Militärflugplatz, steigt in einen Learjet und fliegt zusammen mit ihren wissenschaftlichen Mitarbeitern in die Wolken hinein. Ein Schlauch am Flugzeug fängt Aerosole aus der Atmosphäre und leitet sie in eine Nukleationskammer, wo sie Wolkentröpfchen oder Eiskristalle bilden. So lassen sich Bedingungen wie in einer Wolke simulieren. Die gesammelten Daten baut Lohmann in ihrem Zürcher Büro in Klimamodelle ein. „Unsere Modelle werden immer komplexer mit immer kleineren Maschenbreiten“, sagt die Klimaforscherin. Das hat allerdings auch zur Folge, dass die Rechenleistung der Computer oft nicht mehr mithalten kann.

Für Klimasimulationen bleiben die Wissenslücken in Bezug auf Aerosole – etwa deren Verteilung in der Wolke – ein Problem. Daran haben die Flüge von Lohmanns Team wenig geändert. Das Flugzeug durchfliegt meist nur einen kleinen Ausschnitt der Wolke, der nicht in jeder Hinsicht repräsentativ sein kann – was etwa die Strahlungsbilanz oder den Bedeckungsgrad angeht. „Insgesamt sind wir leider noch nicht viel weiter als vor 20 Jahren“, sagt Lohmann.

Forscher aus unterschiedlichsten Disziplinen konzentrieren ihre Kraft derzeit darauf, die kleinen Teilchen vom Boden aus, mit Flugzeugen und Helikoptern in den Wolken und mit Satelliten von oben herab mit neuen Instrumenten zu vermessen und endlich zu verstehen. Physiker etwa untersuchen, wie sich die Partikel überhaupt bilden und wie sie wachsen. Erste Ergebnisse zeigen, dass kosmische Strahlung und Sonnenlicht diese Prozesse zumindest unterstützen.

Auch die NASA unterstützt die Aerosolforschung: Sie schickt ihre A-Train-Satelliten in die Erdumlaufbahn, die aufgereiht mal hundert, mal einige Tausend Kilometer auseinander um die Erde kreisen. Mit 15 verschiedenen Instrumenten – Radaren, Laserdetektoren und Spektrometern – können sie zum selben Zeitpunkt verschiedene Prozesse in Wolken und Aerosolen beobachten. 2015 will die europäische Weltraumorganisation (ESA) nachziehen und einen Satelliten in 400 Kilometer Höhe in die Umlaufbahn schicken. Mit einem Lidar (Light detection and ranging)-Instrument, einem Breitbandradiometer und einem Multispektralbildgeber ausgestattet, soll der Satellit helfen, die Rolle von Kleinstpartikeln zu verstehen, indem er untersucht, wie sich Aerosole auf vertikaler Achse in den Wolken verteilen.

Um die Erkenntnisse aus den Satellitenprojekten zu vergleichen, braucht es aber Bodenbeobachtungen. Erst dadurch kann die Genauigkeit der Messinstrumente an den Satelliten bestätigt werden. NASA-Mitarbeiter Brent Holben hat dazu das Aerosol Robotic Network (AEROSOL) initiiert. Um die Aerosole messen zu können, wurden über den Erdball verteilt etwa 400 AERONET-Stationen aufgebaut, oft auf den Dächern von Universtitäten. Immer neue Stationen kommen hinzu, wie zuletzt eine in Zentralmarokko. Fotometer registrieren die Lichtstärke, die in einer bestimmten Säule in der Atmosphäre gefiltert wird. Da die Kleinstpartikel Teile des Sonnenlichts streuen oder absorbieren, kann durch die Messung auf die Größe, Form und Zusammensetzung der Aerosole geschlossen werden.

Versprühter Klimaschutz

Nicht alle wollen aber warten, bis der Feinstaub besser verstanden worden ist. Sie wollen seine kühlende Wirkung auf die Erdoberfläche schon jetzt nutzen. Britische Wissenschaftler arbeiten zum Beispiel daran, Schwefeldioxid mit einem 25 Kilometer langen Schlauch in die Atmosphäre zu blasen, um dem Klimawandel gegenzusteuern. Andere schlagen vor, hunderte Schiffe auszusenden, die Meerwassertropfen in die Luft sprühen, um eine Wolkendecke zu erzeugen.

Ulrike Lohmann hält davon wenig. Auch wenn damit der Anstieg des Meeresspiegels verlangsamt werden könne: Der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid schritte weiter voran und die Ozeane versauerten weiter (siehe der Freitag Nr. 22). Außerdem bliebe offen, was der Eingriff ins Klimasystem für Folgen habe – etwa Dürren oder Überschwemmungen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Meterologie in Hamburg haben in vier Klimamodellen getestet, was eine Ausbringung von Schwebestoffen zur Abmilderung der Sonneneinstrahlung zur Folge hätte. Das Ergebnis: Das Klima werde trockener, es regne weniger – besonders über Amerika und dem Norden Eurasiens.

„Das würde die Wurzel des Übels nicht angehen“, sagt Lohmann. „Ich befürchte aber, dass das irgendwann gemacht wird, weil ich kein Anzeichen für eine wirkungsvolle Senkung der CO2-Emmissionen in der Welt sehe.“

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08:00 24.06.2012
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Ausgabe 39/2020

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