Windreich AG

Wind reich
Seit 1999
Unsere Leidenschaft –
Ihr wirtschaftlicher Erfolg.
Windreich GmbH · Esslinger Straße 11–15 · 72649 Wolfschlugen
Die Ursache der Flutkatastrophe liegt im Ruhrgebiet –
die Lösung in der Nordsee !
Wolfschlugen, 20.06.2013
In den letzten Wochen wird im Zusammenhang mit der Energiewende verstärkt über Pro und Kontra von
Onshore- und Offshore-Windenergie und den Preis für die Energiewende diskutiert. Oft sind diese
Diskussionen nicht zielführend, da sie mit wenig fachlicher Kompetenz geführt werden und meist auf der
von interessierten Kreisen raffiniert gesteuerten Presseberichterstattung beruhen. Dies ist insbesondere
seit dem Beschluss des Atomausstiegs nach den verheerenden Ereignissen in Fukushima zu beobachten.
Der klare Zusammenhang zwischen der zweiten Jahrhundert-Flutkatastrophe innerhalb von 10 Jahren und
der Kohle-Feinstaubemission wird leider überhaupt nicht erkannt. Die Ursache der 20 Milliarden Euro
teuren Flutkatastrophe liegt im Ruhrgebiet: durch die extrem hohe Kohlestrom-Erzeugung und die
dadurch produzierten Kondensationskerne (den sog. Aerosolen), welche das Abregnen von Wolken
hunderte von Kilometern entfernt regional konzentrieren, um den Faktor 3 verstärken, und so zu
sintflutartigen Niederschlägen führen. Im Anhang finden Sie entsprechende Informationen über Aerosole
sowie die eindeutige Wetterkarte vom 1.6.2013, aus der man aufgrund der Windrichtung von ca. 300°
klar auf das Ruhrgebiet als Quelle von Aerosolen im fraglichen Zeitraum schließen muss. Wird die
Lobbyarbeit interessierter Kreise auch diese offensichtlichen, eindeutigen und katastrophalen
Auswirkungen verschleiern können?
Statt sich klar und mit realistischen, arbeitsplatzfördernden Maßnahmen für die tragende Säule der
Energiewende, die Offshore-Windenergie zu positionieren, zeichnet sich eine Fehlentwicklung ab.
Die überproportionale Förderung von Photovoltaik in Deutschland führte zu hohen Kosten.
Als bitterer Beigeschmack bleiben für den Endverbraucher die hohen EEG-Umlagen.
Im Klartext: Mittlerweile werden die hohen Kosten aber der Offshore-Windenergie angelastet, obwohl
diese bisher im Gegensatz zu den weit weniger effizienten regenerativen Energieträgern, insbesondere
Photovoltaik, nicht nennenswert eingespeist hat.
Hierzu verweise ich auf das Streitgespräch zwischen Ronny Meyer und Holger Krawinkel
(hier zu lesen »), aus dem sich klar ergibt, dass die Kilowattstunde grundlastfähigen Offshore-Stroms
lediglich ca. 10 ct. kostet, während Photovoltaik in der Spitze mit 54 ct. vergütet wurde.
Eine Falschinformation reiht sich an die Andere.
Leider werden diese Fakten auch von den Medien nicht kritisch beleuchtet.
Die Verantwortlichen können oder wollen nicht erkennen, dass die Konstanz der Energieerzeugung
(Grundlastfähigkeit ») die Schlüsselrolle spielt und die Grundlage für den Preis der Energie darstellt, da
in diesem Fall nicht gespeichert werden muss. Denn speichern ist teuer und nicht effizient.
Konventionelle Speicher (wie Pumpenspeicherwerke) haben lediglich einen Wirkungsgrad von gut 50 %,
Speicher mit wesentlich höherem Wirkungsgrad (wie Lithium-Ionen-Batterien) sind unwirtschaftlich.
Esslinger Straße 11-15 · 72649 Wolfschlugen
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Geschäftsführer:
Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Willi Balz
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Stattdessen werden Äpfel mit Birnen verglichen, zufällige Produktion mit Grundlastfähigkeit (») – also
Onshore- mit Offshore-Windenergie. Photovoltaik verdient in Zusammenhang mit Grundlastfähigkeit (»)
nicht einmal eine Erwähnung.
Man hat bei Photovoltaik viel zu spät bemerkt, dass die Sonne nachts nie scheint, tagsüber nicht immer
und im verbrauchsintensiven Winter besonders selten!
Es soll verschleiert werden, dass weder ein Kohlekraftwerk noch ein Atomkraftwerk jemals
grundlastfähig war, da jeder Störfall und jede Wartungsarbeit sofort zu einer Abschaltung und somit
schlagartig zu einem Ausfall von 1000 MW (Energie für zweieinhalb Millionen Menschen!) führt. Solche
Kraftwerke erreichen auch nicht mehr Vollaststunden als moderne, leistungsfähige Offshore-Windparks
in der Nordsee!
Der Ausfall eines Windrads in einem Offshore-Windpark, welcher aus 80 Anlagen besteht, hat keine
nennenswerten Auswirkungen innerhalb der Gesamtproduktion zur Folge.
Nur die Offshore-Windenergie – die Königin der regenerativen Energieerzeugung – löst alle aufgeführten
Probleme konsequent und effizient (»).
Sie vermeidet die Verschandelung des Landschaftsbildes, welches ein Grund für fehlende Akzeptanz von
Onshore-Windenergie bei der Bevölkerung ist, und die inhomogene, nicht mit dem Lastgang
korrelierende Erzeugung bei Photovoltaik und Onshore-Windkraft. Auch der weltweite Preisanstieg von
Nahrungsmitteln, welcher aus der übermäßigen Flächenbelegung für die Stromerzeugung aus Biomasse
resultiert, wird durch die Offshore-Windkraft vermieden.
Warum diese einfachen Tatsachen nicht verstanden werden, ist mir als Ingenieur unbegreiflich; erklären
kann ich mir dies nur durch die exzellente Lobbyarbeit von interessierten Kreisen, die die Energiewende
noch nie haben wollten und der Bevölkerung sowie der Politik weiter suggerieren wollen, dass Kohleund Atomstrom billig wären, sauber und sicher erzeugt würden, und auch nie Leitungen erfordert hätten.
Zum Thema Klimawandel und Kohleverbrennung finden Sie anbei weitere aktuelle Veröffentlichungen.
Meinen Vortrag als Key Note Speaker auf der Husum Windenergy 2012 finden sie hier »
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11.06.2013
Klimawandel schlägt voll zu
Die historische Altstadt von
Hitzacker geht in der ElbeFlut 2006 komplett unter
Von H. NEUMANN, R. KLOSTERMANN und A.
STEINBACH
Mallorca versinkt im
Schnee. Tornados verwüsten Norditalien und
Deutschland geht in den
Wassermassen einer erneuten Jahrhundertflut
unter! Experten befürchten: Jetzt schlägt der Klimawandel voll zu!
UND SCHULD SIND WIR!
Meteorologe Prof. Mojib Latif (58) von der Uni Kiel: „Die Häufung der Wetter-Extreme ist
ein eindeutiges Indiz für den Klimawandel.“ Grund: der Treibhauseffekt! Latif: „Weil wir
ungehemmt CO2 in die Luft pumpen, heizt sich die Atmosphäre auf.“ Die Folge: Immer
mehr Wasser verdunstet in den Meeren. Die Luftfeuchtigkeit steigt, Wolken saugen sich
mit Wasser voll und regnen sich über dem Festland ab. Es kommt zu Starkniederschlägen, zu immer heftigeren Überflutungen.
WETTER-CHAOS!
2002 säuft die Republik in der Elbe-Flut ab. Dann der Rekord-Sommer 2003: Deutschland brät bei über 40 Grad. 2009 ziehen Tornados durch Hamburg. 2010 folgt der heißeste Sommer seit 500 Jahren: Dürre-Deutschland!
Und jetzt die Jahrhundertflut: Vom 20. Mai bis zum 2. Juni fielen 23 Billionen Liter Regen! In Bayern kamen in nur vier Tagen (30. Mai bis 2. Juni) 400 Liter pro Quadratmeter
runter. Zum Vergleich: In Berlin fielen im GANZEN Monat nur 60 Liter!
Pressespiegel vom 12. Juni 2013
Seite 7
Aerosol
1
Aerosol
Ein Aerosol [aeʁoˈzoːl] ist ein Gemisch (Dispersion) aus festen oder
flüssigen Schwebeteilchen und einem Gas. Das Verhalten eines
Aerosols hängt immer von den Teilchen und dem Trägergas ab. Die
Schwebeteilchen heißen Aerosolpartikel oder Aerosolteilchen. Ein
Aerosol ist ein dynamisches System und unterliegt ständigen
Änderungen durch Kondensation von Dämpfen an bereits vorhandenen
Partikeln, Verdampfen flüssiger Bestandteile der Partikel, Koagulation
kleiner Teilchen zu großen oder Abscheidung von Teilchen an
umgebenden Gegenständen.
Arten, Entstehung und Vorkommen
Aerosole über Nord-Indien und Bangladesch
Allgemein
Aerosole lassen sich auf verschiedene
Weisen in Kategorien einteilen.
Kriterien können die Entstehung der
Aerosolteilchen,
ihre
Materialeigenschaften
(fest
oder
flüssig)
oder
ihre
Wirkung
(Kondensationskeime) sein. Prinzipiell
ist der Übergang zwischen allen
solchen Kategorien fließend. Aerosole
können ebenso wie Staub auf viele
unterschiedliche Weisen entstehen. In
der
Meteorologie
sind
Kondensationsaerosole von großer
Bedeutung. Deren Teilchen bilden sich
spontan durch Kondensation oder
Resublimation
aus
übersättigten
Gasen.
Aeorosole können aus festen und flüssigen Teilchen bestehen; je nach Ursprung der
In Abhängigkeit von dem Ursprung der
Teilchen wird zwischen primären und sekundären Aerosolen unterschieden.
Teilchen lässt sich zwischen primären
und sekundären Aerosolen unterscheiden. Die Teilchen der primären Aerosole stammen meistens aus mechanischen
oder thermischen Prozessen. Bei den sekundären Aerosolen haben sich die Teilchen aus gasförmigen Stoffen durch
chemische Reaktion und/oder durch Anlagerung der Reaktionsprodukte an Kondensationskerne gebildet.
Aerosole findet man in vielen Bereichen unserer Umgebung:
• Staub in der Raumluft
Aerosol
2
• Zigarettenrauch
• Nebel aus einer Spraydose
• Ruß oder Ölqualm aus einem Autoauspuff
Unsere Erdatmosphäre enthält stets
Aerosole
bzw.
Aerosolteilchen
unterschiedlichen
Typs
und
unterschiedlicher Konzentration. Dazu
zählen z. B.:
• natürliche organische Anteile:
Pollen, Sporen, Bakterien und Viren
• natürliche anorganische Anteile:
durch Erosion entstandener
Wüsten-[2] bzw. Mineralstaub,
Vulkanische Asche und
Schwefeldioxid, sowie Meersalz
• vom Menschen eingebrachte:
Verbrennungsprodukte wie Rauch
(Brandgas, Rauchgas) bzw. Asche
oder Stäube
Wichtige sekundäre Prozesse der atmosphärischen Partikelbildung und die geschätzte
[1]
jährliche Bildungsmenge in Millionen Tonnen für verschiedene Partikel
• vom Menschen hergestellte
Nanopartikel.
Verbreitung
Aerosolpartikel sind kleine Partikel, die überall in der Luft vorkommen. Sie sind so klein, dass sie einzeln mit
bloßem Auge nicht sichtbar sind. Sichtbar werden sie nur, wenn sie in einer sehr großen Konzentration in der Luft
vorkommen, ab etwa 1.000.000 Partikel pro Kubikzentimeter. Dies nimmt man als so genannten Smog wahr. Der
Durchmesser der Partikel liegt zwischen 0,5 nm und mehreren 10 μm. Am oberen Ende dieses Bereiches liegen
beispielsweise größere Pollen.
Aerosolpartikel beginnen ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit Tröpfchen zu bilden, das Wasser in der Luft
kondensiert an den Partikeln. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto größer werden die Tröpfchen. Bei einer hohen
Luftfeuchtigkeit werden so die Tröpfchen immer größer und stoßen auch zusammen, es kommt zur Wolkenbildung,
und letztendlich zum Regen. Man nennt Aerosolpartikel deshalb auch Wolkenkondensationskeime. Die
Konzentration der Partikel ist je nach Ort unterschiedlich.
Die Konzentration eines Aerosols nimmt mit der Höhe ab. In 10 Kilometer über dem Erdboden findet man in der
Regel nur noch ein Zehntausendstel des Wertes am Boden, der bei etwa 2 Milligramm Aerosolpartikel pro
Kilogramm Luft liegt. Insbesondere Vulkanausbrüche können die Konzentrationen von Aerosolen in der
Atmosphäre stark erhöhen und so das Wetter beeinflussen. Weitestgehend unerforscht ist der Einfluss des
Wüstenstaubs. Erste Messungen über der Sahara zeigten unter anderem mäßigende, dämpfende Klimawirkungen
infolge vergleichsweise großer Partikel und eine klar abgegrenzte fünf Kilometer dicke Aerosolschicht.[2].
So wie der Wind, besonders wenn er Turbulenzen bildet, (schadstoffbelasteten) Boden durch äolische Bodenerosion
mobilisiert, kann er auch zur Bodenoberfläche abgesunkene Aerosolpartikel ständig neu mobilisieren. So kann der
Wind in Abhängigkeit von Windrichtung, Windstärke und der gesamten meteorologischen Situation die Aerosole
großflächig verteilen und so die kontaminierte Fläche ausdehnen und darüber hinaus entfernte Regionen
kontaminieren. Besonders dramatisch zeigt sich dies bei radioaktiven Wolken, welche sehr gefährliche Aerosole mit
sich führen und auch in Verbindung mit radioaktivem Niederschlag, beispielsweise im Zuge der Katastrophe von
Aerosol
Tschernobyl am 26. April 1986 beziehungsweise in der darauf folgenden Woche große Teile Europas
kontaminierten.
Teilchenarten und deren Herkunft
Aerosolpartikel haben viele unterschiedliche Zusammensetzungen, was auch auf die Eigenschaften sowie auf die
Herkunft der Partikel schließen lässt. Einzelne Moleküle sind die kleinsten Partikel, sehr selten größer als 1 nm. Sie
entstehen meist bei Verbrennungen, aber auch als Stoffwechselprodukt von Pflanzen und Tieren, zum Beispiel
Terpene. Sie reagieren in der Erdatmosphäre schnell mit anderen Molekülen, oder sogar mit größeren Partikeln.
Moleküle zählen aber erst dann zu den Aerosolpartikeln, wenn sie groß genug sind, und einen festen
Aggregatzustand aufweisen. Um diese Bedingung erfüllen zu können, müssen sich mehrere Moleküle zu einem
Partikel verbinden.
Hochofenausstöße bestehen zum größten Teil aus Ruß, aber auch aus verschiedenen Sulfaten und Nitraten. Das
Größenspektrum dieser Partikel liegt zwischen 1 und 1.000 nm. Sie entstehen zum Beispiel bei der Verhüttung von
Metallen oder als Ausstoß von Kohlekraftwerken, aber auch durch Autoabgase. Das Größenspektrum dieser
Aerosolpartikel ist deshalb so groß, da eine Verbrennung nie sauber ist und es so auch zu verhältnismäßig großen
Rußpartikeln kommt. Ähnlich wie bei Hochofenausstößen bestehen Rauchpartikel zum größten Teil aus Ruß. Sie
entstehen unter anderem bei offenen Feuern und Waldbränden.
Partikel aus Mineralstaub sind vor allem auf die Erosion von Gesteinen zurückzuführen. Sehr viele
Mineralstaubpartikel entstehen zum Beispiel bei Sandstürmen. Aerosolpartikel aus Meersalz entstehen, wenn durch
den Wind kleine Salzwassertröpfchen vom Meer aufgewirbelt werden. Das Wasser verdunstet anschließend, und
zurück bleibt ein Meersalzpartikel.
Biologische Aerosolpartikel (Bioaerosole) sind Pollen, Algen, Pilzsporen, Bakterien und Viren, Zellorganellen und
Ausscheidungen. Diese Art von Aerosolpartikeln umfasst ein sehr weites Größenspektrum. Während manche Pollen
so groß sind, dass sie schon mit dem bloßen Auge sichtbar sind, gibt es auch Mikroviren, die manchmal sogar
kleiner als 10 nm sind. Es gibt zudem sehr kleine Viren und Bakterien, die sich als Aerosolpartikel in der
Atmosphäre befinden. Ihre Anzahl ist aber sehr klein. Es wird auch untersucht, ob diese Mikroviren und
Mikrobakterien Einfluss auf die Gesundheit des Menschen haben können.
Es gibt allerdings noch sehr viele weitere Arten von Aerosolpartikel. Manche sind radioaktiv, andere bestehen aus
Edelmetallen, und wiederum andere stammen noch nicht einmal von unserem Planeten. Um die Herkunft eines
bestimmten Partikels genau zu bestimmen, bedarf es einer sehr genauen Analyse der Inhaltsstoffe. Während ihrer
Zeit als Aerosol verändern sich die Partikel zudem ständig. Wenn Wasser an den Partikeln kondensiert und die
vielen kleinen Tröpfchen immer größere bilden, reagieren viele Aerosolpartikel miteinander, oder es werden
chemische Vorgänge in der Luft katalysiert, welche die Zusammensetzungen der Partikel verändern.
Eigenschaften
Die Eigenschaft von Partikeln, längere Zeit mit Gasen transportiert werden zu können liegt darin, dass sie sich mit
kleiner werdendem Durchmesser immer mehr wie Gas-Moleküle verhalten. Durch den Luftwiderstand haben
Aerosole eine maximale Sinkgeschwindigkeit, die beim Gleichgewicht von Gravitationskraft und Luftreibung
erreicht wird. Bezogen auf die maximale Sinkgeschwindigkeit bedeutet die Halbierung des Durchmessers eines
Partikels, eine Verringerung der Masse und damit der Gravitationskraft um den Faktor 8 und der Luftreibungskraft
im hierbei relevanten Stokes-Bereich um den Faktor 2. Da die Luftreibungskraft im Stokes-Bereich linear von der
Geschwindigkeit abhängt, folgt daraus für die maximale Sinkgeschwindigkeit, dass bei Halbierung des
Partikeldurchmessers die Sinkgeschwindigkeit mit dem Faktor 4 abnimmt.
Der quadratische Zusammenhang gilt jedoch nur, solange die Partikel deutlich größer sind als die mittlere freie
Weglänge des umgebenden Gases (in Luft 68 nm). Bei geringer werdender Partikelgröße findet ein Übergang vom
3
Aerosol
Kontinuum in den Bereich einer molekularen Strömung statt, wodurch der Strömungswiderstand eines Partikels
langsamer fällt als nach dem Gesetz von Stokes zu erwarten. Die sich ergebende Sinkgeschwindigkeit ist daher
größer als nach obigem Zusammenhang und zu ihrer Berechnung muss die Cunningham-Korrektur berücksichtigt
werden.
Messung
Aerosolkonzentrationen werden mit so genannten Kernzählern bestimmt. Hierbei lässt man im einfachsten Fall eine
bestimmte Luftmenge auf eine dünne Vaselineschicht einwirken und wertet diese hiernach mikroskopisch aus. Dabei
unterscheidet man in Abhängigkeit von der Korngröße nach
• Aitken-Kernen von 0,01 bis 0,1 µm
• Großen Kernen von 0,1 bis 2 µm
• Riesenkernen größer als 10 µm
Weitere Messmethoden, bei denen Teilchen
zur Wägung abgeschieden werden, sind
Impaktoren oder Zentrifugen. Man kann
Aerosolpartikel in einem Luftstrom aber auch
mit Hilfe einer radioaktiven Quelle (meist
Krypton-85 oder Americium-241) definiert
elektrisch aufladen und in einem differentiellen
Mobilitätsanalysator (engl. differential mobility
analyser, DMA) nach Größenklassen sortiert
detektieren. Als Detektoren kommen dabei
entweder Kondensationspartikelzähler (engl.
Durchschnittliche aerosol optische Dicke 2005-2010, gemessen bei 550 nm mit
MODIS des Satelliten Terra.
condensation particle counter, CPC) in Frage,
bei denen die Partikel durch heterogene
Kondensationsprozesse vergrößert und anschließen optisch detektiert werden, oder aber elektrische Detektoren, wie
das Faraday Cup Electrometer (FCE).
Außerdem können Aerosolpartikel mit optischen Methoden vermessen werden. Das integrierende Nephelometer
dient dazu, das gesamte von Aerosolpartikeln in einem Referenzvolumen gestreute Licht (einer bestimmten
Wellenlänge) zu detektieren, polare Nephelometer analysieren das gestreute Licht zusätzlich je nach Streuwinkel.
Einzelpartikelzähler analysieren das Streulicht einzelner Aerosolpartikel in einem Luftstrom und können so eine
Größenverteilung liefern.
LIDAR-Systeme analysieren das „Lichtecho“ von in die Atmosphäre gesendeten Laserpulsen. Gemäß der Intensität
und dem zeitlichen Abstand zum ausgesendeten Lichtpuls kann man die Aerosolschichtung in der Atmosphäre über
mehrere Kilometer analysieren.
Die über die gesamte Atmosphäre integrierte aerosol optische Dicke (AOD, Funktion der Ångström Koeffizienten)
lässt sich durch verschiedene fernerkundliche Verfahren ihrer raumzeitlichen Verbreitung kartieren. Dazu sind
Annahmen bezüglich der Reflexionseigenschaften der Erdoberfläche zu treffen (zum Beispiel: Reflexion tiefer klarer
Wasserflächen im nahen Infrarot ist gleich null). Solche Verfahren werden in der Fernerkundung eingesetzt, um die
vom Satelliten aufgenommenen Bilder zu korrigieren.
4
Aerosol
Bedeutung
Wetter und Klima
Eine wichtige Rolle für das Wetter spielen hygroskopische Aerosolpartikel, welche als Kondensationskerne
fungieren und so die Tropfen- beziehungsweise Wolkenbildung anregen. Zudem gibt es Aerosolpartikel, die als
Eiskeime dienen und zur Bildung von Eiskristallen führen (dies können Aerosolpartikel aus bestimmten Bakterien
sein, wie sie in Schneekanonen verwendet werden). Eiskristalle sind in Wolken der Initiator für
Niederschlagsbildung (das Prinzip wird durch den Bergeron-Findeisen-Prozess beschrieben). Aus diesem Grund
setzte man lange Zeit auch Silberiodid und andere Chemikalien ein, um durch künstliche Eiskeime das Abregnen
von Wolken hervorzurufen. Besonders bei Hagelgefahr sollen die Hagelflieger auf diese Weise besonders
„gefährliche“ Wolkenformationen entschärfen. Die Abwesenheit von Aerosolen wird in Nebelkammern genutzt und
führt hier zu Übersättigung des Wasserdampfs von bis zu 800 Prozent.
Unklar ist derzeit noch die Rolle der Aerosole für das Klima beziehungsweise den Klimawandel. Durch
anthropogene Emissionen zeigen sich vor allem lokal teilweise sehr große Konzentrationssteigerungen und eine
umfassende Luftverschmutzung (Smog). Diese kann den Strahlungshaushalt der Erde direkt oder indirekt
(Wolkenbildung) beeinflussen und ist daher ein aktueller Schwerpunkt vieler Forschungsvorhaben.
Als verstärkender Faktor für die Bildung von Wolkenkondensationskeimen wird von einigen Wissenschaftlern die
kosmische Strahlung vermutet. Ein Forscherteam um den Dänen Henrik Svensmark zeigte eine starke Korrelation
mit der globalen Wolkendichte[3], welche aber von anderen Wissenschaftlern stark angezweifelt wird. Zur
Untersuchung des Einflusses der kosmischen Strahlung auf die Aerosolbildung in der Erdatmosphäre findet seit
2006 das CLOUD-Experiment am CERN statt, was gegenwärtig einen kleinen verstärkenden Effekt auf die
Aerosolbildung in höheren Atmosphärenbereichen nachweisen konnte.[] Es zeigte aber auch, dass der Prozess der
Bildung von Wolkenkondensationskeimen derzeit noch unzureichend erklärt werden kann, was weitere Forschungen
auf diesem Gebiet notwendig macht.
Wirkung auf die Wolkenbildung
Ihre wichtigste Rolle kommt den Aerosolpartikeln bei der Bildung von Wolkentröpfchen zu. Die Fähigkeit als
Kondensationskern zu wirken hat jeder Partikel, allerdings wird die Intensität dieser Fähigkeit durch die
Zusammensetzung und die Größe des Partikels bestimmt. Je größer ein Partikel ist, desto mehr wasserlösliche
Einzelkomponenten sind in ihm enthalten. Es ist somit mehr hydrophile Masse vorhanden, die Wasserdampf am
Partikel kondensieren lässt. Bei Aerosolpartikeln, in denen keine hydrophilen Komponenten enthalten sind, wie zum
Beispiel bei Ruß, kommt es auf die Oberfläche des Partikels an, wie gut Wasserdampf an ihm kondensieren kann. Je
größer die Oberfläche des Aerosolpartikels, desto mehr Wasser kann an ihm kondensieren. Größere Partikel bilden
früher Wolkentröpfchen als kleinere. Es kommt aber auch auf die Zusammensetzung der Partikel an.
Wolkenkondensationskeime aus hydrophilen Mineralsalzen, wie zum Beispiel Ammoniumsulfat oder
Ammoniumnitrat können schon ab 70 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden, während hydrophobe Rußpartikel erst
bei einer Luftfeuchtigkeitsübersättigung, also bei über 100 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden. In der Regel bilden
alle Aerosolpartikel ab 103 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen. Gäbe es keine Aerosolpartikel, so wäre eine
Übersättigung bis zu 300 % Luftfeuchtigkeit nötig, um eine Tröpfchenbildung herbeizuführen. In der Regel ist in
Verbindung mit Aerosolpartikeln immer von relativer Luftfeuchtigkeit die Rede. Es wird auch untersucht, wie die
Konzentration der Partikel auf die Wolkenbildung wirkt. Sobald die Kondensationskeime der Wolken Tröpfchen
bilden, sinkt die Luftfeuchtigkeit, da das zuvor in der Luft gelöste Wasser an den Partikeln kondensiert hat. Wird die
Luftfeuchtigkeit also geringer, hören die Tröpfchen irgendwann auf zu wachsen, da nicht mehr genügend Wasser in
der Luft vorhanden ist. Sind also wenig Partikel in der Luft vorhanden, bilden sich große Tröpfchen, die dann mit
großer Wahrscheinlichkeit auch zusammenstoßen, es kommt schnell zu Regen. Sind aber sehr viele Partikel
vorhanden, bilden sich nur kleine Tröpfchen, deren Wahrscheinlichkeit zusammenzustoßen gering ist. Es bildet sich
eine sehr große Wolke, die aber kaum, wenn überhaupt Regen abgibt. Dies wird oft bei Waldbränden beobachtet.
5
Aerosol
Diese so genannten Pyrowolken wachsen manchmal bis zur Stratosphäre hinauf.
Wirkung auf das Klima
Bei Konzentrationen von durchschnittlich 10.000 Partikeln je Kubikzentimeter Luft haben Aerosolpartikel auch
großen Einfluss auf das Klima. Sie haben jedoch nichts mit dem Treibhauseffekt zu tun, da für den Treibhauseffekt
ausschließlich Gase verantwortlich sind. Wie genau Aerosole auf unser Klima wirken, ist noch nicht genau erforscht,
da sie in vielen Bereichen wirksam sind. Die wichtigste klimatologische Eigenschaft der Partikel ist, ob diese
Sonnenlicht absorbieren und dabei Wärme freisetzen (wie Ruß), oder ob sie das Licht reflektieren oder brechen, wie
zum Beispiel Salzpartikel. Dies kann auch in speziellen Geräten untersucht werden. Die Partikel werden hier mit
UV-Licht bestrahlt, gleichzeitig wird gemessen, wie viel Licht die Partikel reflektieren, brechen oder absorbieren
(also in Wärme umwandeln). Es kommt aber nicht nur auf diese Eigenschaften an sich an, sondern auch wo sie sich
auswirkt. In der Troposphäre sorgen Rußpartikel zum Beispiel für Temperaturanstieg, da sie das Sonnenlicht
absorbieren und somit Wärmestrahlung abgeben. In der Stratosphäre hingegen fangen sie durch ihre Absorption das
Licht ab, sodass weniger UV-Licht die Troposphäre erreicht, die Temperatur in der Troposphäre sinkt. Genau
umgekehrt ist dieser Effekt bei Mineralpartikeln. Sie sorgen in der Troposphäre für deren Abkühlung, während sie
für deren Erwärmung verantwortlich sind, wenn sie sich in der Stratosphäre befinden. Aerosolpartikel beeinflussen
das Klima in einem sehr komplizierten System. Allein die Eigenschaft der Wolkenbildung hat einen sehr großen
Einfluss auf das Klima. Man könnte sogar meinen, dass dieses System auch der Erderwärmung entgegenwirken
kann, da es durch die Erwärmung zur Verdunstung von mehr Wasser führen kann, es entstehen mehr Wolken, die
wiederum die Troposphäre abkühlen. Jüngste Forschungsergebnisse konnten einige Widersprüche im bisherigen
Verständnis der Wirkung von Aerosolen beseitigen und den Kenntnisstand deutlich verbessern.[4]
Einfluss auf das Ozonloch
Wie schon bekannt ist, wird das Ozonloch maßgeblich von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) hervorgerufen.
Diese Stoffe sind in der Troposphäre sehr stabil, spalten aber in der Stratosphäre Fluor- und Chlorradikale ab, die
dann die Reaktion von Ozon (O3) zu Sauerstoff (O2) katalysieren. Für diese Abspaltung von Chlor- und
Fluorradikalen in der Stratosphäre sind Aerosole verantwortlich, da die Reaktion nur auf der Oberfläche eines
Aerosolpartikels stattfinden kann.
Saurer Regen
Als sauren Regen bezeichnet man Regen, der aufgrund eines überhöhten Säuregehaltes (hauptsächlich
Schwefelsäure (H2SO4) und Salpetersäure (HNO3)) den pH-Wert des Niederschlagswassers herabsetzt und über die
hierdurch unterstützte Bodenversauerung das Edaphon beeinflusst. Ursache des hohen Säuregehalts sind bestimmte
Aerosole, wie zum Beispiel Nitrate (R-NO3), Sulfate (RSO4) und verschiedene Stickoxide. Sie reagieren mit anderen
Aerosolen in der Luft, oder während der Tröpfchenbildung, zu Salpetersäure und Schwefelsäure. Hauptquellen für
solche Aerosole sind die Abgase, die von Menschen verursacht werden. Zudem wurden auch in den 1970er Jahren,
als noch nicht so viel über die Entstehung des sauren Regens bekannt war, Rußfilter in die Schornsteine vieler
Fabriken eingesetzt. So wurde dann zwar weniger sichtbarer Ruß freigesetzt, die unsichtbaren Stickoxide und andere
säurebildende Aerosole wurden jedoch weiter ausgestoßen. Da Rußpartikel in der Atmosphäre basisch reagieren,
also die Fähigkeit haben, Säuren zu neutralisieren, hat der Einsatz solcher Filter auch zur Bildung von saurem Regen
beigetragen.
6
Aerosol
Humanmedizin
Aerosole werden vom Menschen eingeatmet, dabei scheidet sich ein Teil der inhalierten Aerosolpartikel im
Atemtrakt ab. Ungefähr 10 % aller inhalierten Aerosolteilchen bleiben im Atemtrakt. Weil die
Abscheidewahrscheinlichkeit eines Teilchens stark von seiner Größe abhängt, kann dies nur ein grober Richtwert
sein. Teilchen, die mindestens bis in den Bronchialbereich vordringen können, heißen lungengängig. Dazu gehören
alle Aerosolpartikel unterhalb eines Durchmessers von ungefähr 10 Mikrometer (PM10). Größere Teilchen scheiden
sich schon in der Nase oder im Rachen ab oder lassen sich überhaupt nicht inhalieren. Am wenigsten scheiden sich
Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 Mikrometer und 1 Mikrometer ab(PM2.5). Das bedeutet gleichzeitig,
dass sie besonders tief in die Lunge eindringen. Deutlich größere und auch kleinere Teilchen scheiden sich bereits in
den oberen Bereichen stärker ab, dringen dadurch weniger tief ein und belasten deshalb die empfindlichen Alveolen
weniger.
Im Atemtrakt abgeschiedene Aerosolteilchen verweilen dort eine gewisse Zeit. Ihre Verweilzeit hängt vom
Teilchenmaterial und vom Depositionsort ab. Die Substanz leicht löslicher Teilchen verteilt sich schnell auf den
gesamten Organismus. Chemisch sehr schwer lösliche Teilchen können bis zu mehreren Jahren im Alveolarbereich
bleiben. Trotzdem bekämpft der Organismus auch diese Teilchen. Alveolarmakrophagen umschließen die Teilchen
und können sie in einigen Fällen verdauen oder zumindest in die Lymphknoten transportieren. Flimmerhärchen im
Bronchialbereich befördern dort deponierte Teilchen mechanisch recht schnell wieder aus dem Atemtrakt heraus.
Mit den gesetzlichen Bestimmungen für Feinstaub nach PM10 und PM2.5 wird versucht, die Verhältnisse im
Atemtrakt nachzubilden, um die Grenzwerte anhand ihrer Schadwirkung festzulegen.
Die Auswirkung inhalierter Teilchen auf den Menschen reichen von Vergiftungen über radioaktive Bestrahlung
durch Radonzerfallsprodukte bis zu allergischen Reaktionen. Besonders gefährlich sind faserförmige Teilchen,
besonders Asbest und Nanoröhren, weil Fasern die Lungenreinigung durch Makrophagen blockieren.
Aerosole dienen auch der Inhalationstherapie. Inhalationsgeräte zerstäuben Medikamente, die der Patient durch
Inhalation in den Körper aufnimmt. Außer zur Bronchialbehandlung kann dieser Weg auch Unverträglichkeiten von
Tabletten oder Spritzen umgehen. Das größte Problem bei dieser Anwendung ist die richtige Dosierung eines
Medikaments.
Anwendung und Nutzung
Gezielt hergestellt und genutzt werden Aerosole um Stoffe auf Oberflächen gleichmäßig aufzutragen, etwa beim
Lackieren oder Auftragen von Pflanzenschutzmitteln oder Schmiermitteln. Spraydosen mit Nasenspray, Haarspray
oder Raumspray geben Aerosole ab, die dem Wohlbefinden dienen sollen, aber auch Risiken und Nebenwirkungen
aufweisen. Nebelbrunnen erzeugen ein Aerosol aus Luft und Wasser, um die Luft durch Verdunstung der Tröpfchen
zu befeuchten. Kälte- oder Sportlerspray kühlt durch Verdampfen.
Literatur
• J. Feichter: Aerosole und das Klimasystem. In: Physik in unserer Zeit, 2003, 34, 72–79,
doi:10.1002/piuz.200390034 [5].
• J. Schnelle-Kreis, M. Sklorz, H. Herrmann, R. Zimmermann: Atmosphärische Aerosole: Quellen, Vorkommen,
Zusammensetzung. In: Chemie in unserer Zeit, 2007, 41, 220–230, doi:10.1002/ciuz.200700414 [6].
• T. Hoffmann, C. Zetzsch, M. J. Rossi: Chemie von Aerosolen. In: Chemie in unserer Zeit. 2007, 41,
232–246,doi:10.1002/ciuz.200700417 [7].
• Robert Sturm: Biogene Schwebepartikel in der Atmosphäre. Bioaerosole - was wir alles einatmen. In: Biologie in
unserer Zeit 41(4), S. 256 - 261 (2011), ISSN 0045-205X [8]
• Ulrich Pöschl: Atmosphärische Aerosole: Zusammensetzung, Transformation, Klima- und Gesundheitseffekte, in:
Angewandte Chemie 2005, 117, 7690–7712.
7
Aerosol
8
Weblinks
•
•
•
•
•
•
•
Was sind Aerosole? [9] Labor für Atmosphärenchemie (LAC) des Paul Scherrer Instituts (PSI)
Aerosole [10] Bildungsserver wiki - Klimawandel (klimawiki.org)
GAeF Homepage [11] Gesellschaft für Aerosolforschung e.V.
Der Treibhauseffekt, Kapitel 5. Aerosole [12] (PDF; 261 kB) Webpage von H. Zickmann und B. Rakow
Aerosols: Tiny Particles, Big Impact [13] NASA Earth Observatory (englisch)
Einführung in die Aerosolforschung [14] Geographisches Institut der Universität Bern
Homepage des AEROCOM Projets [15] Internationales Projekt zur Evaluierung von Aerosol Modellen (englisch)
Einzelnachweise
[1] nach Andreae 1994 (1)
[2] Die Wüste schwebt, 3Sat; hitec vom 17. Februar 2008 (http:/ / www. 3sat. de/ hitec/ magazin/ 98236/ index. html)
[4] Max-Planck-Institut für Chemie Mainz: Dreck in Maßen macht mehr Regen (http:/ / www. mpg. de/ 561512/
pressemitteilung200809032?filter_order=L)
[5] http:/ / dx. doi. org/ 10. 1002%2Fpiuz. 200390034
[6] http:/ / dx. doi. org/ 10. 1002%2Fciuz. 200700414
[7] http:/ / dx. doi. org/ 10. 1002%2Fciuz. 200700417
[8] http:/ / dispatch. opac. d-nb. de/ DB=1. 1/ CMD?ACT=SRCHA& IKT=8& TRM=0045-205X
[9] http:/ / aerosolforschung. web. psi. ch/ Was_Page/ Was_Page. htm
[10] http:/ / wiki. bildungsserver. de/ klimawandel/ index. php/ Aerosole
[11] http:/ / www. gaef. de/
[12] http:/ / kladde. org/ ~meid/ klimabrunz/ 5. pdf
[13] http:/ / earthobservatory. nasa. gov/ Library/ Aerosols/
[14] http:/ / saturn. unibe. ch/ rsbern/ research/ projects/ aerosol/ index. html
[15] http:/ / nansen. ipsl. jussieu. fr/ AEROCOM/ aerocomhome. html
Quelle(n) und Bearbeiter des/der Artikel(s)
Quelle(n) und Bearbeiter des/der Artikel(s)
Aerosol Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?oldid=118114474 Bearbeiter: 24-online, Aka, Aleks-ger, Alnilam, Anhi, Arnomane, Avron, Bautsch, Bianco, Boonekamp,
BurghardRichter, Carbenium, Cepheiden, Cholo Aleman, Christoph Buhlheller, Crux, Density, Der Lange, DerArbeiter, Dergi, Dieter Kasang, Diwas, Don Magnifico, Dundak, ErikDunsing,
Eschenmoser, Etk, Fomafix, Fredo 93, Fristu, Georg-Johann, Gerhardvalentin, Ghw, Gleiberg, Gnu1742, Hei ber, Hg6996, Hi-Lo, Inkowik, IqRS, Iwoelbern, J. 'mach' wust, Jaan513, Jeremiah21,
Jivee Blau, JogyB, Joni2, KAMiKAZOW, KaiKemmann, Karutentuten, Kdkeller, Kein Einstein, Kibert, Kirsch, Korinth, Krib, Kris Kaiser, LKD, Leyo, Mabschaaf, Maggot, Mailtosap,
MalteAhrens, Marc Aurel, Markko, Markooo, Martin1978, Medwikier, Meister, Micschu, Mnh, Muck31, Musik-chris, Narvalo, Nils Simon, Nitro86, NonScolae, Nonvolatil, O.Koslowski,
Osmium, Paebi, Pajz, Palas GmbH, Perrak, Peter200, Petermeller, Pischdi, Pit, Pittimann, Plehn, Putzfrau, Qwqchris, Radonmaster, Regi51, RokerHRO, Roland.chem, Rosa Lux, RuED, Rufus46,
Saehrimnir, Saperaud, Saxonyking, Scooter, Seewolf, Spirit84, Sprachpfleger, Spuk968, StefanPohl, Stephan Klage, Suirenn, Tango8, TdL, TheSkunk, Titus389, Uranus.nucleus, Volty, Wissen,
Yoky, Yoursmile, 104 anonyme Bearbeitungen
Quelle(n), Lizenz(en) und Autor(en) des Bildes
Datei:Aerosol-India.jpg Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Aerosol-India.jpg Lizenz: Public Domain Bearbeiter: Jacques Descloitres, MODIS Land Rapid Response
Team, NASA/GSFC
Datei:Aerosol-Definitionen.svg Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Aerosol-Definitionen.svg Lizenz: GNU Free Documentation License Bearbeiter: SVG-Version:
Cepheiden. Original uploader was Cepheiden at de.wikipedia
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9
Lizenz
10
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you distribute an Opaque copy (directly or through your agents or retailers) of that edition to the public.
It is requested, but not required, that you contact the authors of the Document well before redistributing any large number of copies, to give them a chance to provide you with an updated version of the Document.
4. MODIFICATIONS
You may copy and distribute a Modified Version of the Document under the conditions of sections 2 and 3 above, provided that you release the Modified Version under precisely this License, with the Modified Version filling the role
of the Document, thus licensing distribution and modification of the Modified Version to whoever possesses a copy of it. In addition, you must do these things in the Modified Version:
•
A. Use in the Title Page (and on the covers, if any) a title distinct from that of the Document, and from those of previous versions (which should, if there were any, be listed in the History section of the Document). You may use
the same title as a previous version if the original publisher of that version gives permission.
B. List on the Title Page, as authors, one or more persons or entities responsible for authorship of the modifications in the Modified Version, together with at least five of the principal authors of the Document (all of its principal
authors, if it has fewer than five), unless they release you from this requirement.
•
C. State on the Title page the name of the publisher of the Modified Version, as the publisher.
•
D. Preserve all the copyright notices of the Document.
•
E. Add an appropriate copyright notice for your modifications adjacent to the other copyright notices.
•
F. Include, immediately after the copyright notices, a license notice giving the public permission to use the Modified Version under the terms of this License, in the form shown in the Addendum below.
•
G. Preserve in that license notice the full lists of Invariant Sections and required Cover Texts given in the Document's license notice.
•
H. Include an unaltered copy of this License.
•
I. Preserve the section Entitled "History", Preserve its Title, and add to it an item stating at least the title, year, new authors, and publisher of the Modified Version as given on the Title Page. If there is no section Entitled
"History" in the Document, create one stating the title, year, authors, and publisher of the Document as given on its Title Page, then add an item describing the Modified Version as stated in the previous sentence.
•
J. Preserve the network location, if any, given in the Document for public access to a Transparent copy of the Document, and likewise the network locations given in the Document for previous versions it was based on. These
may be placed in the "History" section. You may omit a network location for a work that was published at least four years before the Document itself, or if the original publisher of the version it refers to gives permission.
•
K. For any section Entitled "Acknowledgements" or "Dedications", Preserve the Title of the section, and preserve in the section all the substance and tone of each of the contributor acknowledgements and/or dedications given
therein.
•
L. Preserve all the Invariant Sections of the Document, unaltered in their text and in their titles. Section numbers or the equivalent are not considered part of the section titles.
•
M. Delete any section Entitled "Endorsements". Such a section may not be included in the Modified Version.
•
N. Do not retitle any existing section to be Entitled "Endorsements" or to conflict in title with any Invariant Section.
•
O. Preserve any Warranty Disclaimers.
If the Modified Version includes new front-matter sections or appendices that qualify as Secondary Sections and contain no material copied from the Document, you may at your option designate some or all of these sections as
invariant. To do this, add their titles to the list of Invariant Sections in the Modified Version's license notice. These titles must be distinct from any other section titles.
You may add a section Entitled "Endorsements", provided it contains nothing but endorsements of your Modified Version by various parties--for example, statements of peer review or that the text has been approved by an organization
as the authoritative definition of a standard.
You may add a passage of up to five words as a Front-Cover Text, and a passage of up to 25 words as a Back-Cover Text, to the end of the list of Cover Texts in the Modified Version. Only one passage of Front-Cover Text and one of
Back-Cover Text may be added by (or through arrangements made by) any one entity. If the Document already includes a cover text for the same cover, previously added by you or by arrangement made by the same entity you are
acting on behalf of, you may not add another; but you may replace the old one, on explicit permission from the previous publisher that added the old one.
The author(s) and publisher(s) of the Document do not by this License give permission to use their names for publicity for or to assert or imply endorsement of any Modified Version.
•
5. COMBINING DOCUMENTS
You may combine the Document with other documents released under this License, under the terms defined in section 4 above for modified versions, provided that you include in the combination all of the Invariant Sections of all of
the original documents, unmodified, and list them all as Invariant Sections of your combined work in its license notice, and that you preserve all their Warranty Disclaimers.
The combined work need only contain one copy of this License, and multiple identical Invariant Sections may be replaced with a single copy. If there are multiple Invariant Sections with the same name but different contents, make the
title of each such section unique by adding at the end of it, in parentheses, the name of the original author or publisher of that section if known, or else a unique number. Make the same adjustment to the section titles in the list of
Invariant Sections in the license notice of the combined work.
In the combination, you must combine any sections Entitled "History" in the various original documents, forming one section Entitled "History"; likewise combine any sections Entitled "Acknowledgements", and any sections Entitled
"Dedications". You must delete all sections Entitled "Endorsements".
6. COLLECTIONS OF DOCUMENTS
You may make a collection consisting of the Document and other documents released under this License, and replace the individual copies of this License in the various documents with a single copy that is included in the collection,
provided that you follow the rules of this License for verbatim copying of each of the documents in all other respects.
You may extract a single document from such a collection, and distribute it individually under this License, provided you insert a copy of this License into the extracted document, and follow this License in all other respects regarding
verbatim copying of that document.
7. AGGREGATION WITH INDEPENDENT WORKS
A compilation of the Document or its derivatives with other separate and independent documents or works, in or on a volume of a storage or distribution medium, is called an "aggregate" if the copyright resulting from the compilation
is not used to limit the legal rights of the compilation's users beyond what the individual works permit. When the Document is included in an aggregate, this License does not apply to the other works in the aggregate which are not
themselves derivative works of the Document.
If the Cover Text requirement of section 3 is applicable to these copies of the Document, then if the Document is less than one half of the entire aggregate, the Document's Cover Texts may be placed on covers that bracket the
Document within the aggregate, or the electronic equivalent of covers if the Document is in electronic form. Otherwise they must appear on printed covers that bracket the whole aggregate.
8. TRANSLATION
Translation is considered a kind of modification, so you may distribute translations of the Document under the terms of section 4. Replacing Invariant Sections with translations requires special permission from their copyright holders,
but you may include translations of some or all Invariant Sections in addition to the original versions of these Invariant Sections. You may include a translation of this License, and all the license notices in the Document, and any
Warranty Disclaimers, provided that you also include the original English version of this License and the original versions of those notices and disclaimers. In case of a disagreement between the translation and the original version of
this License or a notice or disclaimer, the original version will prevail.
If a section in the Document is Entitled "Acknowledgements", "Dedications", or "History", the requirement (section 4) to Preserve its Title (section 1) will typically require changing the actual title.
9. TERMINATION
You may not copy, modify, sublicense, or distribute the Document except as expressly provided for under this License. Any other attempt to copy, modify, sublicense or distribute the Document is void, and will automatically terminate
your rights under this License. However, parties who have received copies, or rights, from you under this License will not have their licenses terminated so long as such parties remain in full compliance.
10. FUTURE REVISIONS OF THIS LICENSE
The Free Software Foundation may publish new, revised versions of the GNU Free Documentation License from time to time. Such new versions will be similar in spirit to the present version, but may differ in detail to address new
problems or concerns. See http:/ / www. gnu. org/ copyleft/ .
Each version of the License is given a distinguishing version number. If the Document specifies that a particular numbered version of this License "or any later version" applies to it, you have the option of following the terms and
conditions either of that specified version or of any later version that has been published (not as a draft) by the Free Software Foundation. If the Document does not specify a version number of this License, you may choose any version
ever published (not as a draft) by the Free Software Foundation.
ADDENDUM: How to use this License for your documents
To use this License in a document you have written, include a copy of the License in the document and put the following copyright and license notices just after the title page:
Copyright (c) YEAR YOUR NAME.
Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document
under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2
or any later version published by the Free Software Foundation;
with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts.
A copy of the license is included in the section entitled
"GNU Free Documentation License".
If you have Invariant Sections, Front-Cover Texts and Back-Cover Texts, replace the "with...Texts." line with this:
with the Invariant Sections being LIST THEIR TITLES, with the
Front-Cover Texts being LIST, and with the Back-Cover Texts being LIST.
If you have Invariant Sections without Cover Texts, or some other combination of the three, merge those two alternatives to suit the situation.
If your document contains nontrivial examples of program code, we recommend releasing these examples in parallel under your choice of free software license, such as the GNU General Public License, to permit their use in free
software.
Atmosphärenforschung
Aerosole und
das Klimasystem
J OHANN F EICHTER
Atmosphärische Schwebstoffe spielen eine wesentliche Rolle
im täglichen Wettergeschehen und im langfristigen Klima.
Erst seit etwa einem Jahrzehnt sind Forscher in der Lage, sich
mithilfe von Satelliten ein globales Bild der Verteilung zu
machen und sie in ihre Klimamodelle mit einzubeziehen. Die
quantitative Abschätzung des Aerosoleffekts bildet eine neue
Herausforderung für die Klimamodellierung.
K
lart nach einem kräftigen Regenschauer der Himmel
wieder auf, ist er tief blau, alle Konturen sind scharf erkennbar und wir sehen viele Kilometer weit. Die Luft ist
reingewaschen von vielen kleinen Partikeln, die normalerweise die Sichtverhältnisse beeinträchtigen. Diese Aerosolpartikel streuen und absorbieren die einfallende Sonnenstrahlung. Damit verringern sie die Sichtweite und trüben
den Farbeindruck. So hat eine hohe Partikelkonzentration
beispielsweise zur Folge, dass der Horizont weißlich und die
Luft gelb-bräunlich erscheint, wenn wir von einem Berg ins
Tal blicken.
Aerosolpartikel reduzieren also den Strahlungsfluss am
Erdboden und haben daher eine abkühlende Wirkung. Sie
dienen auch als Kondensations- oder Eiskerne und beeinflussen die physikalischen und optischen Eigenschaften von
Wasser- und Eiswolken sowie die Niederschlagsverteilung.
Durch menschliche Aktivitäten gelangen erhebliche Mengen an Aerosolpartikeln in die Atmosphäre. Sie zählen daher zusammen mit den Treibhausgasen zu den wesentlichen Komponenten der anthropogenen Klimabeeinflussung.
Das Interesse an der Rolle von Aerosolpartikeln im Klimasystem hat in der vergangenen Dekade stark zugenommen. Zum einen ermöglichen leistungsfähigere Großrechner die Entwicklung komplexerer Modelle, zum anderen
haben zahlreiche Messkampagnen sowie neue satellitengetragene Instrumente zu einem erheblich besseren
Verständnis der Rolle von Aerosolen im Klimasystem beigetragen.
72
| Phys. Unserer Zeit | 34. Jahrgang 2003 | Nr. 2
Aerosole – woher kommen sie,
was bewirken sie?
In der Atmosphäre sind flüssige und feste Partikel unterschiedlichster Form,Textur, chemischer Zusammensetzung
und Größe suspendiert. Aerosole sind uns als Rauch, Staub
oder Dunst bekannt. Die kleinsten nachweisbaren Teilchen
weisen einen Radius von 1,6 nm auf. Die größten Teilchen,
die noch über größere Entfernungen transportiert werden
können, haben Radien um 10 µm. Das Größenspektrum
überstreicht also fünf Größenordungen. Partikel kleiner als
0,2 µm dominieren die Anzahldichte, solche mit einem Radius zwischen 0,05 und 1,0 µm die Aerosoloberfläche und
damit auch die optischen Eigenschaften. Teilchen mit Radien zwischen 0,3 und 10 µm tragen hingegen am meisten
zur gesamten Partikelmasse bei. Die Anzahlkonzentrationen
betragen in Reinluft 100 – 300 cm–3 und in belasteten Gebieten 1000 – 10000 cm–3 oder auch mehr (Abbildung 1).
Die Aerosole gelangen auf unterschiedliche Weise in die
Luft. Primärpartikel werden als feste oder flüssige Teilchen
in die Atmosphäre entlassen. Sekundärpartikel entstehen
in der Atmosphäre durch Kondensation aus der Gasphase.
Einzelne Dämpfe kondensierbarer Spezies bilden neue Partikel (homogene Nukleation) oder kondensieren an vorhandenem Aerosol (heterogene Nukleation). Die Nukleationsrate hängt von der Dampfübersättigung und dem An-
AEROSOLE
gebot an vorhandener Partikeloberfläche ab. Die homogene Nukleation erfordert allerdings einen sehr hohen Dampfdruck, so dass die heterogene Nukleation dominiert. Das gilt
auch für Reinluft, in der nur relativ wenige Partikel vorhanden sind. Wenn aber zwei oder mehrere Dämpfe miteinander kondensieren, kann homogene Nukleation bereits
bei weit niedererem Dampfdruck stattfinden (Konukleation). Das ist beispielsweise bei Schwefelsäuregas der Fall, das
bevorzugt zusammen mit Wasserdampf und Ammoniak als
ternäre Mischung oder nur zusammen mit Wasserdampf als
binäre Mischung nukleiert.
Da Konukleation bereits bei Dampfdrücken unterhalb
des Sättigungsdampfdruckes der einzelnen Komponenten
erfolgt, binden Aerosolpartikel Wasser auch bei einer relativen Feuchte unterhalb von 100 %. So wächst das Volumen
eines Schwefelsäuretröpfchens bei 80 % relativer Feuchte
der Umgebungsluft und einer Temperatur von 298 K um
den Faktor 5,5, das eines Ammoniumbisulfat-Tröpfchens um
den Faktor 3,4 gegenüber einer relativen Feuchte von 0 %.
Diese Anlagerung von Wasser wird durch die Feuchte der
Umgebungsluft, die Temperatur und die chemische Zusammensetzung der Partikel (Hygroskopizität) bestimmt.
Ist die Umgebungsluft bezüglich Wasserdampf gesättigt,
wird eine Untermenge der Partikelpopulation aktiviert, das
heißt Teilchen überschreiten aufgrund der Anlagerung von
|
AT M OS PH Ä R E N FO R S C H U N G
Wasser einen kritischen Radius und wachsen dann zu einem
< Abb. Die vier
Hauptquellen für
Wolkentropfen weiter.
Aerosole: SalzDurch homogene Nukleation gebildete Teilchen sind
kristalle, Sandmit Radien von etwa 10 nm relativ klein. Sie unterliegen der
körner sowie
Brownschen Bewegung und tendieren dazu sich zu vereiRußteilchen aus
nigen, wenn sie miteinander oder mit größeren Partikeln
Bränden und
Industrieabgasen.
kollidieren. Dieser Koagulation genannte Prozess bestimmt
die Lebensdauer von kleinen Partikeln, die in der Größenordnung von Stunden liegt. Eine ähnlich geringe Lebensdauer zeigen Partikel größer als 10 µm. Sie sinken durch die
Schwerkraft nach unten. Die längste atmosphärische Verweildauer weisen Partikel im Größenbereich 0,1 bis 1 µm
auf. Sie verbleiben in der unteren Troposphäre (bis etwa 5
Kilometer Höhe) wenige Tage, in der oberen Troposphäre
(von 5 bis maximal 18 Kilometer Höhe) bis zu vier Wochen
und in der Stratosphäre 1 bis 3 Jahre. In der Troposphäre
werden sie vorwiegend durch Niederschlag ausgewaschen,
in der Stratosphäre sinken sie langsam ab.
Während die meisten Treibhausgase aufgrund ihrer langen atmosphärischen Verweildauer in der Troposphäre gut
durchmischt sind, ist die Aerosolkonzentration räumlich und
zeitlich stark variabel. Das liegt zum einen an der kurzen
Verweildauer in der Atmosphäre und zum anderen an
den vielfältigen und kleinräumigen Quell- und Senkenprozessen.
Wie erwähnt, besteht das Aerosol zum Teil aus Primärpartikeln, die direkt vom Boden in die Atmosphäre entlassen werden. Der Zusammenhang zwischen der Quellstärke
von Primärpartikeln und der daraus resultierenden Zusammensetzung und Menge des Aerosols in der Atmosphäre ist
komplex. Der Eintrag von Primärpartikeln wie Mineralstaub
beispielsweise aus Wüstengebieten (Abbildung 2) oder Seesalz wird von der Stärke des bodennahen Windes und im
Falle von Mineralstaub von der Textur und dem Feuchtegehalt des Bodens kontrolliert. Auch die Größenverteilung
der Aerosole hängt von diesen Parametern ab. Diese Primärpartikel aus windgetriebenen Quellen haben in bezug auf
die Masse den größten Anteil am atmosphärischen Aerosolgehalt. Der Eintrag von Mineralstaub in die Atmosphäre
ist auch von menschlichen Aktivitäten wie Wüstenbildung
durch Überweidung und
Winderosion von Äckern
als Folge verschiedener
INTERNET
Ackerbautechniken beeinflusst. Durch menschliche Aktivitäten freigeModelle des MPI für Meteorologie
setzte Primärpartikel sind
www.mpimet.mpg.de/en/depts/bgcs/aa/
Industriestäube und kohSatellitenbilder und Infos
lenstoffhaltige Partikel aus
visibleearth.nasa.gov/Atmosphere/Aerosols/
der Verbrennung fossiler
Rohstoffe, also Ruß und
Aerosolforschung am Naval Research Lab
organische Kohlenwaswww.nrlmry.navy.mil/aerosol/
serstoffverbindungen. EiGlobale Verlagerungen von Staubwolken
nen Beitrag leistet auch
Science.nasa.gov/headlines/y2001/ast26jun_1.htm
die Biomassenverbrennung, welche die Verwen-
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Nr. 2 34. Jahrgang 2003
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| Phys. Unserer Zeit | 73
ABB. 1
|
G R Ö S S E N V E R T E I LU N G
Größenverteilung/Anzahl · cm–3 · µm–1
dung von Feuerholz, Brandrodung, Verbrennung von Ackerabfällen, Müllverbrennung und
106
Waldbrände umfasst.
städtisch
108
Kondensierbare Gase entstehen in der Atmosphäre
104
durch chemische Umwandlungen von Schwefel- und Stick106
Regen
stoffverbindungen oder organischen Kohlenwasserstoffen.
2
10
Gasförmige Emissionen von
Schwefel- und Stickstoffverbin104
ländlich
dungen stammen zu 70 – 80 %
1
aus anthropogenen Quellen,
wie der Verfeuerung fossiler
102
Brennstoffe, Biomassenverbrennung und Landwirtschaft.
10–2
Flüchtige Kohlenwasserstoffe
werden zu etwa 40 % aus an1
thropogenen Quellen freigesetzt, zum überwiegenden Teil
–4
10
aber aus natürlichen Quellen
wie der Vegetation. Die Rate,
–2
10
1
mit der diese Dämpfe zu Parti102
10–2
keln kondensieren, hängt vom
Radius/µm
Dampfdruck der betreffenden
Substanz, von der Feuchte und
Repräsentative Größenspektren des Aerosols
der Temperatur der Umgebei unterschiedlichen meteorologischen
Bedingungen.
bungsluft und der Oberfläche
bereits vorhandener Partikel ab.
Die wichtigste natürliche
Quelle von Schwefel sei hier besonders erwähnt Mit ihr ist die so genannte CLAW-Hypothese verbunden (benannt nach den Anfangsbuchstaben
der vier Autoren) [1]. Sie hat die Klimasystemforschung
sehr befruchtet. Einige Spezies von Meeresalgen bauen in
Zellen zur Regelung des osmotischen Drucks und als Kühlmittel Dimethylsulfoniopropionate (DMSP) ein. Sterben die
Algen ab oder werden sie von Zooplankton gefressen, wird
Dimethylsulfid (DMS) abgespalten, das zu einem Teil in die
Atmosphäre ausgast. DMS bildet dort auf photochemischem
Wege Sulfat und Methansulfonsäure (MSA), die beide Partikel bilden.
Nach der CLAW-Hypothese führt eine durch Treibhausgase verursachte Erwärmung zu einer Zunahme der
Produktivität der marinen Biosphäre und/oder zur Verschiebung hin zu Algenspezies, die mehr DMSP produzieren. Damit wird mehr DMS in die Atmosphäre entweichen
und die Konzentration an Aerosolpartikeln zunehmen. Eine
Zunahme an Aerosolpartikeln in der marinen Atmosphäre
führt aber zur Abkühlung der Meeresoberflächentemperatur und dämpft damit den erwärmenden Effekt der Treibhausgase. Damit reguliert die Biosphäre das Klima und hält
es in einem stabilen Zustand. Wie weit diese Hypothese
trägt, kann beim derzeitigen Wissensstand nicht endgültig
beantwortet werden.
74
| Phys. Unserer Zeit | 34. Jahrgang 2003 | Nr. 2
Partikelgröße und chemische Zusammensetzung bestimmen die optischen Eigenschaften und die Fähigkeit einzelner Partikel, als Wolkenkondensationskern aktiviert zu
werden. Von diesen Eigenschaften hängt auch die atmosphärische Verweildauer des Aerosols ab, weil sie die Effizienz der wichtigsten Senke, das Auswaschen durch Niederschlag, beeinflussen.
Eine realistische Abschätzung der Beiträge einzelner
Quellen zum atmosphärischen Aerosolgehalt und dessen
klimarelevanter Eigenschaften ist nur mittels numerischer
Modelle möglich. Demnach wandeln sich von den emittierten gasförmigen Schwefelspezies 40 – 50 % der Masse
in Sulfat um. Sie stehen damit zur Partikelbildung oder der
Anlagerung an vorhandene Partikel zur Verfügung. Die chemische Umwandlung von NOx (NO + NO2) in Nitrat (die
Salze der Salpetersäure) beträgt 45 %, die von flüchtigen
Kohlenwasserstoffen nur 7 %. Damit tragen Sekundärpartikel in weitaus geringerem Ausmaß als Primärpartikel zum
atmosphärischen Partikelgehalt bei. Da die Masse der
Primärpartikel von Mineralstaub und Seesalz dominiert
wird, übertrifft die aus natürlichen Quellen stammende Partikelmasse bei weitem die von anthropogenen Quellen freigesetzte. Trotzdem üben Sulfat- und Rußpartikel aufgrund
ihrer Fähigkeit, sehr effizient solare Strahlung zu streuen
oder zu absorbieren, einen größeren Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Aerosols aus als Mineralstaub und
Abb. 2 Eine Satellitenaufnahme vom 6. Mai 2002 zeigt einer
ausgedehnten Wolke von Saharastaub, die sich nach Norden
in den Mittelmeerraum bewegt. Oben ist ein Teil von Sizilien
erkennbar (NASA).
AEROSOLE
Seesalz. Grund dafür ist vor allem die unterschiedliche
Größenverteilung. So liegt die Hauptmasse der Sulfat- und
Rußteilchen bei 0,1 – 2 µm, die der Staub- und Seesalzteilchen aber bei 2 – 10 µm vor.
Abbildung 3 zeigt die Verteilung der aerosoloptischen
Dicke, ein Maß für die Strahlungswirksamkeit (siehe „Aerosolpartikel und Strahlung“ auf www.wiley-vch.de/home/phiuz) von Aerosolen, wie sie vom Satelliten aus beobachtet wurde. Man erkennt deutlich die Industriegebiete
im Osten der USA und Kanada sowie in Europa und SüdostAsien. Hier liegt die aerosoloptische Dicke zwischen 0,1 –
0,3. Auffallend sind auch die Gebiete mit hoher Biomassenverbrennung in Amazonien, Afrika und Indonesien mit optischen Dicken bis zu 0,6. Mineralstaub aus der Sahara weist
ebenfalls hohe Werte der optischen Dicke auf. Punktuell hohe Werte wie in Südamerika oder Südafrika stammen aus der
Verhüttung von Buntmetallen, bei der große Mengen an
Schwefeldioxid freigesetzt werden. Werte kleiner als 0,1 finden wir in den Absinkgebieten der Subtropen.
ABB. 3
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AT M OS PH Ä R E N FO R S C H U N G
A E ROSO L- O P T I S C H E D I C K E
Von Satelliten aus beobachtete mittlere aerosoloptische
Dicke. Die Werte repräsentieren Mittelwerte von
September 2000 bis August 2001 (NASA).
Wie misst man Aerosole?
Die Bestimmung der Größenverteilung sowie der chemischen Zusammensetzung des atmosphärischen Aerosols
stellt eine große Herausforderung dar. Grundsätzlich war
dies bisher nur mit Probennahme und anschließenden Laboruntersuchungen möglich. Dabei wurde die Größenverteilung in erster Linie auf optischem Wege bestimmt, indem
man das Streuverhalten des Aerosols (vor allem nach vorne
und zur Seite) bestimmte. Andere Methoden nutzen Unterschiede der (größenabhängigen) Fallgeschwindigkeit. Die
chemische Zusammensetzung wird meist im Labor ermittelt, wobei sich die molekulare Mischung des getrockneten
Aerosols über Resonanzen bestimmen lässt. Lichtdurchlässigkeitsmessungen von Filtern, auf denen sich die Teilchen
über einen längeren Zeitraum abgelagert haben, werden
meist zur Bestimmung der Absorption des Aerosols herangezogen.
Mittlerweile gibt es auch Fernerkundungsmethoden, die
eine Messung der Größenverteilung und des Brechungsindex (stellvertretend für die chemische Zusammensetzung)
ermöglichen. Hierbei setzt man Minimierungsverfahren in
Kombination mit Strahlungstransportmodellen ein. Die
Messdaten erhält man mit passiven und aktiven Methoden.
Zu erwähnen sind insbesondere Sonnenphotometer, die
räumlich die spektrale Dichte der Sonnenstrahlung messen,
und LIDAR-Messungen (Light Detecting and Ranging). Bei
Letzterem wird die rückgestreute und reflektierte Intensität
eines gepulsten Laserstrahls gemessen. Damit lässt sich die
Atmosphäre vom Boden aus lokal bis in etwa hundert
Kilometer Höhe sondieren. Mit den unterschiedlichen
Methoden werden heute vom Boden, vom Flugzeug und
auch von Satelliten aus Aerosole gemessen.
Aerosole beeinflussen die Wolkenbildung
Aerosole streuen einfallende Sonnenstrahlung, Ruß und
Mineralstaub absorbieren sie auch teilweise. Sulfatpartikel
beispielsweise absorbieren auch geringfügig im langwelligen Spektrum. Die Reflexion der Sonnenstrahlung zurück
in den Weltraum führt zur Abkühlung des Systems ErdeAtmosphäre. Absorbierte Solarstrahlung erwärmt die Atmosphäre. Beide Effekte, Streuung und Absorption, haben
hingegen eine Abkühlung der Erdoberfläche zur Folge. Um
diesen Einfluss auf das Strahlungsfeld quantitativ abzuschätzen, müssen mehrere wellenlängenabhängige Parameter bekannt sein: Streueffizienz, Einfachstreualbedo und
Asymmetrieparameter sowie Partikelwachstum in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte. (Als Albedo bezeichnet
man das Verhältnis von rückgestreuter zu einfallender Sonnenstrahlung.) Diese Größen lassen sich mit Hilfe der MieStreutheorie ableiten, sofern chemische Zusammensetzung
und Größenverteilung der Aerosolpartikel bekannt sind (siehe „Aerosolpartikel und Strahlung“ auf unserer Homepage).
Aerosole beeinflussen auch die Wolkenbildung, womit
sie ebenfalls auf Wetter und Klima einwirken. Wo und wann
eine Wolke entsteht, bestimmen die Dynamik der Atmosphäre und der Transport von Wasserdampf. Aerosolpartikel
können aber als Wolkenkondensationskerne dienen. Daher
entscheidet das Aersolangebot über Anzahl und Größe der
Wolkentröpfchen. Diese wiederum beeinflusst die
mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften sowie
die Lebensdauer von Wolken.
Man hat aufgrund theoretischer Überlegungen und Beobachtungen gefunden, dass bei einer hohen Konzentration an Wolkenkondensationskernen mehr, dafür aber kleinere Wolkentröpfchen entstehen, sofern sich der Flüssigwassergehalt der Wolke nicht ändert. Eine Zunahme der
Tröpfchenanzahl zusammen mit einer Verkleinerung des
mittleren Radius vergrößert die gesamte Tropfenoberfläche.
Damit steigt die Wolkenalbedo und die Niederschlagseffizienz nimmt ab, da kleinere Tropfen weniger wahrscheinlich die Größe von Regentropfen erreichen. Die Folge ist:
Nr. 2 34. Jahrgang 2003
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| Phys. Unserer Zeit | 75
Abb. 4 Diese Satellitenaufnahme vom 29. April 2002 zeigt,
wie sich über dem nördlichen Pazifik aus den Abgasfahnen
von Schiffen Wolken bilden (NASA).
Die Wolke lebt länger, und der Flüssigwassergehalt der Atmosphäre nimmt zu. Beide Effekte führen zu einer vermehrten Rückstreuung von Sonnenstrahlung und damit zu
Abkühlung.
Die ersten Beobachtungen dieses Effekts wurden in Abluftfahnen von Schiffen (Abbildung 4) in Gebieten mit dauerhaften Stratus- oder Stratocumulus-Wolken vor der Küste
Nordamerikas gemacht. Die Partikelemissionen der Schiffe
führten in den Wolken zu erhöhter Tröpfchenanzahl mit
gleichzeitig kleinerem effektiven Radius. Da die Tröpfchen
kleiner sind als ohne die Rußteilchen, ist der Koagulationsprozess so stark verlangsamt, dass keine Tropfen bis zur
Größe von Nieseltropfen wachsen. Somit wird der Niederschlag reduziert und der Flüssigwassergehalt in der Wolke
sowie deren Lebensdauer erhöht.
TA B . 1
|
S T R A H LU N G SA N T R I E B
Aerosolkomponente
Strahlungsantrieb
W/m2
Sulfat anthropogen
– 0,3 bis – 0,4
Ruß von fossilen Brennstoffen
+ 0,1 bis + 0,4
Ruß von Biomassenverbrennung
– 0,2
Anthropogener Effekt
auf Wasserwolken
– 1,0 bis – 2,0
Sulfat natürlich
– 0,2
Mineralstaub
– 0,6 bis + 0,4
Seesalz
– 2,0
Treibhausgase
Strahlungsantrieb
W/m2
Kohlendioxid
Methan
+ 1,5
+ 0,42
Alle Treibhausgase
+ 2,43
Summe des kurz- und langwelligen mittleren globalen Strahlungsantriebs aufgrund verschiedener Aerosolkomponenten und Treibhausgase (Anstieg 1760 –1990) an der Obergrenze der Atmosphäre [3]. Ein
positives Vorzeichen bedeutet Erwärmung, ein negatives Abkühlung.
76
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Aerosole können auch die Bildung von Eiswolken fördern. Während die wasserlöslichen oder hygroskopischen
Aerosole als Wolkenkondensationskerne dienen, sind Eiskeime meist wasserunlöslich. Aerosole eignen sich umso
besser als Eiskeime, je ähnlicher ihre Kristallstruktur der
von Eiskristallen ist. Typische natürlich vorkommende Eiskeime in der Atmosphäre sind Staubteilchen, entweder Mineralstaub, der von den Wüsten in die Atmosphäre eingebracht wird oder Vulkan- und Meteoritenstaub. Sogar biogene Substanzen wie Pollen, Sporen, Bakterien und Viren
können als Eiskeime auftreten.
Die Analyse von Kondensstreifen hat gezeigt, dass Ruß
und Schwermetalle ebenfalls als Eiskeime dienen. Aus Satellitendaten ließ sich ablesen, dass in den Flugkorridoren
die Zirrusbewölkung im Zeitraum 1985 bis 1989 gegenüber
1980 bis 1984 zugenommen hat. Eisteilchen in Kondensstreifen sind kleiner als in natürlichem Zirrus. Es tritt also
ein ähnlicher Effekt wie bei Wasserwolken auf. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Eis- und Wolkenkernen
besteht darin, dass es überall in der Atmosphäre genügend
Wolkenkondensationskerne gibt, so dass die maximale Übersättigung in der Wolke nur 1 – 2 % beträgt. Eiskeime hingegen sind so rar, dass Übersättigungen über Eis leicht
30 – 40 % betragen können.
Unterhalb von – 40 °C friert unterkühltes Wasser spontan und homogen, das heißt ohne Hilfe von Eiskeimen. In
diesem Temperaturbereich kommt den Salzen eine besondere Bedeutung zu. Salze, wie Schwefelsäure, sind in der Atmosphäre dafür verantwortlich, dass das homogene Gefrieren von Wolkentröpfchen bei tieferen Temperaturen
stattfindet. Das ist vergleichbar mit der Wirkung von Streusalz, das auf Grund seines niedrigen Gefrierpunkts Schnee
schmelzen lässt oder Eisbildung verhinder. Somit beeinflussen anthropogene Schwefelemissionen nicht nur Wasser- sondern auch Eiswolken.
Im Unterschied zu Wasserwolken lassen sich die anthropogenen Auswirkungen auf Eiswolken noch nicht quantifizieren. Zum einen fungiert im Schnitt nur eines von einer Million Aerosolteilchen als Eiskeim, zum anderen sind
die Messungen von Eiskristallen aufgrund ihrer Nichtsphärizität wesentlich schwieriger. Weiterhin zerbrechen
größere Eiskristalle, und ihre Splitter dienen als neue Eiskeime. All diese Komplikationen erschweren sowohl unser
Verständnis der Prozesse als auch das Erfassen in Klimamodellen. Mit Satelliten ist es heute möglich, zwischen Eisund Wasserwolken zu unterscheiden. Auch die mittlere
Tröpfchengröße in den Wolken lässt sich aufgrund des charakteristischen Rückstreuvermögens ermitteln.
Aerosole beeinflussen das Klima
Als Maß für die Klimawirksamkeit verschiedener strahlungsaktiver atmosphärischer Gase und Partikel wird die
Änderung der mittleren kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse an der Erdoberfläche und an der Obergrenze der Atmosphäre angegeben. Diese Störung des Strahlungsgleichgewichts wird als Strahlungsantrieb oder Forcing bezeich-
AEROSOLE
net. Man berechnet diese Größe mittels globaler atmosphärischer Modelle, wobei man keine Rückkopplung zwischen Meteorologie und strahlungsaktiven Komponenten
zulässt. Die Antwort des Klimasystems auf diesen Strahlungsantrieb inklusive aller Rückkopplungsmechanismen
ist dann die Klimaänderung oder der Response.
Abschätzungen des globalen direkten Aerosol-Strahlungsantriebs beruhen bisher auf Modellen, welche die
raum-zeitliche Verteilung der Massen verschiedener Aerosolkomponenten in der Atmosphäre simulieren. Eine Übersicht des mittleren globalen Strahlungsantriebs verschiedener Aerosolkomponenten im Vergleich zu einigen Treibhausgasen findet sich in Tabelle 1. Der Strahlungsantrieb
durch Aerosol aus anthropogenen Quellen liegt nach jüngsten Abschätzungen des Intergovernmental Panel on
Climate Change (IPCC) zwischen –1,1 und –2,2 W/m2. Das
entspricht 60 – 90 % des gesamten Strahlungsantriebs der
Treibhausgase [3]. Allerdings sind Abschätzungen der Auswirkungen des Aerosols mit erheblich größeren Unsicherheiten behaftet als die der Treibhausgase.
Numerische Klimamodelle simulieren das Klimasystem
und seine Veränderungen. Das Klimasystem setzt sich aus
den Untersystemen Atmosphäre, Ozean, Lithosphäre, Biosphäre und Kryosphäre (Eis und Schnee) zusammen. Sie
alle reagieren auf höchst komplexe Weise miteinander. Die-
ABB. 5
|
|
AT M OS PH Ä R E N FO R S C H U N G
se Komponenten des Klimasystems variieren auf unterschiedlichen Zeitskalen, die von Stunden (Wettererscheinungen) über Monate (Oberflächenströmungen der
Ozeane) bis zu Jahrtausenden (Landeismassen) reichen.
Klimamodelle versuchen, dieses komplexe dynamische
System in mathematischen Gleichungen zu beschreiben,
die auf physikalischen Gesetzen beruhen. Klimaschwankungen treten einerseits aufgrund der verschiedenen Rückkopplungsprozesse der Subsysteme auf oder aufgrund
externer Störungen. Solche Störungen können natürliche
Ursachen haben wie Änderungen der Solarkonstante oder
der Erdbahnparameter und Ausbrüche von Vulkanen. Sie
können aber auch vom Menschen verursacht sein.
Klimasimulationen sollen die Frage beantworten, ob beobachtete Änderungen im Wettergeschehen seit Beginn der
industriellen Revolution im 19. Jahrhundert auf Aktivitäten
des Menschen zurückgehen oder natürliche Ursachen haben. Diese Untersuchungen konzentrierten sich bisher auf
den Einfluss des Anstiegs von CO2 und der anderen Treibhausgase. Nur wenige Simulationen berücksichtigten den
Klimaeffekt einer anthropogenen Zunahme von Partikeln in
der Atmosphäre. Dies ist aber unbedingt erforderlich, weil
die prognostizierte Temperaturzunahme aufgrund des Anstiegs der Treibhausgase hinter der beobachteten zurückbleibt. Es wurde daher schon lange vermutet, dass zuneh-
S I M U L AT I O N E N
a)
b)
c)
d)
Ergebnisse der
Simulation mit
und ohne anthropogene AerosolEmissionen.
Gezeigt sind die
Differenzen der
beiden Fälle,
gemittelt über
50 Jahre. Dargestellt sind a) die
vertikal integrierte Aerosolmasse
(mg/m2), b) die
aerosolinduzierten anthropogenen Änderungen
der Temperatur
zwei Meter über
dem Boden, c) des
Niederschlags und
d) der Bewölkung.
Nr. 2 34. Jahrgang 2003
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| Phys. Unserer Zeit | 77
mende Aerosolemissionen, vor allem aus industriellen
Aktivitäten, den positiven Strahlungsantrieb teilweise kompensiert haben. Anders gesagt: Die anthropogen produzierten Aerosole könnten den anthropogen verursachten
Treibhauseffekt in der Vergangenheit gemildert haben.
Ein numerisches Gleichgewichtsexperiment
Bis heute publizierte Modellsimulationen beschränkten sich
auf den Effekt einzelner Aerosolkomponenten. Im Folgenden werden Ergebnisse von kürzlich am Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführten Modellsimulationen
gezeigt, welche die wichtigsten Komponenten Mineralstaub, Seesalz, Ruß, organischen Kohlenstoff und Sulfat
berücksichtigen.
Es wurden zwei Simulationen mit einem numerischen
Klimamodell gerechnet. Eine berücksichtigt die anthropogenen Emissionen, wobei Emissionen repräsentativ für die
Mitte der 1980er Jahre angenommen wurden. Die zweite Simulation berücksichtigt nur Emissionen aus natürlichen
Quellen. Die Differenz dieser zwei Simulationen, im weiteren auch Anomalie genannt, zeigt die Auswirkungen der
vom Menschen verursachten Zunahme an Aerosolen auf
das Klimasystem.
Die Simulationen entsprechen einem so genannten
Gleichgewichtsexperiment. Dabei führt man eine Störung
des Strahlungsgleichgewichtes ein, in unserem Fall anthropogenes Aerosol, und integriert das Modell so lange, bis sich
ein neues Gleichgewicht eingestellt hat. Da Klimamodelle,
wie auch in Wirklichkeit beobachtet, jedes Jahr ein etwas
anderes Wetter produzieren, haben wir das Modell noch
weitere 50 Jahre integriert, um ein statistisch robustes
Ergebnis zu erhalten. Abbildung 5 zeigt als Ergebnis dieses
50-Jahresmittels die Differenz der beiden Simulationen. Da
sich die Emissionen in Wirklichkeit – anders als hier angenommen – von Jahr zu Jahr ändern und zudem auch
andere Forcings das Klima beeinflussen, befindet sich das
Klimasystem nie im Gleichgewicht. Solche Modellsimulationen sind daher nicht geeignet, beobachtete Klimaänderungen realistisch zu reproduzieren. Sie helfen aber, die
Mechanismen zu verstehen, die das Aerosolforcing auf das
Klimasystem ausübt.
Abbildung 5a zeigt die berechneten Verteilungen des
anthropogenen Aerosolgehalts. Diese führen zu Anomalien
der Temperatur zwei Meter über dem Erdboden, des Niederschlags und der Wolkenbedeckung. Der anthropogene
Aerosolgehalt integriert über die Höhe zeigt einerseits hohe Werte über Industrieregionen in Südost-Asien, Europa
und Nordamerika. Andererseits treten Gebiete mit hoher
Biomassenverbrennung in Zentral- und Südafrika, dem Amazonasgebiet und Indonesien hervor. Da Aerosolpartikel relativ kurz in der Atmosphäre verweilen, sind Gebiete mit
starken Emissionen auch solche mit hoher Aerosolbelastung.
Die Anomalien der bodennahen Temperatur sind generell negativ: Aerosole führen also im Großen und Ganzen zu
einer Abkühlung. Dies ist besonders deutlich in den Re78
| Phys. Unserer Zeit | 34. Jahrgang 2003 | Nr. 2
gionen mit hoher Aerosolkonzentration. Aber wir sehen
auch in Reinluftgebieten wie Sibirien hohe Temperaturanomalien, die sich auf Änderungen der Schnee- und Eisbedeckung zurückführen lassen. In Gebieten mit hoher Emission aus Biomassenverbrennung beträgt die Abkühlung 0,5
bis 1 K, in Gebieten mit Industrieemissionen 1 bis 2 K. Der
unterschiedliche Effekt geht darauf zurück, dass bei der Nutzung fossiler Brennstoffe erheblich größere Mengen an
Schwefeldioxid freigesetzt werden als bei der Verbrennung
von Biomasse. Sulfatpartikel streuen effizienter als kohlenstoffhaltige Partikel aus der Biomassenverbrennung.
Wir berechnen auch hohe Abkühlungsraten über dem
Nordpazifik und dem Nordatlantik windabwärts von Gebieten mit hoher Aerosolemission. Die Temperaturanomalien über den tropischen und subtropischen Ozeanen sowie
über den Ozeanen der Südhemisphäre sind hingegen relativ gering. Dies führt zu einer Verstärkung des Gradienten
der Meeresoberflächentemperaturen in Abhängigkeit von
der geografischen Breite. Änderungen der Meeresoberflächentemperaturen wiederum führen zu Änderungen der
atmosphärischen Zirkulation und können sowohl die Menge als auch die Verteilung des Niederschlags in niederen
Breiten beeinflussen.
Man erkennt außerdem, dass die Kontinente stärker abkühlen als die Ozeane. Der Land-See-Temperaturgradient
beeinflusst aber die Monsunzirkulation und den Transport
von Wasserdampf vom Ozean zum Kontinent. Bei einer
Abnahme des Land-See-Kontrastes verringern sich die Niederschläge. Nicht nur in Bodennähe, sondern auch in der
freien Troposphäre haben die Lufttemperaturen abgenommen. Eine kältere Atmosphäre kann weniger Wasserdampf
aufnehmen. Da Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas
ist, verstärkt dies die Aerosolabkühlung. Zudem reduziert
die Abkühlung am Boden die Verdunstungsrate um etwa
4 % und damit auch die Niederschlagsrate.
Abbildung 5 belegt auch, dass sich die geografische Niederschlagsverteilung verändert hat. Drei Mechanismen sind
dafür verantwortlich:
1. Abkühlung am Boden und Erwärmung der niederen
Atmosphärenschichten durch Absorption von Sonnenstrahlung, vornehmlich durch Rußpartikel. Dies stabilisiert die bodennahe Schicht und reduziert die Wolkenund Niederschlagsbildung in Gebieten mit hoher Aerosolbelastung.
2. Die Abschwächung des Monsuns verringert die Niederschlagsmenge über den Kontinenten in den Tropen
und Subtropen.
3. Änderungen der Meeresoberflächentemperatur verschieben das Regengebiet der innertropischen Konvergenzzone etwas nach Süden. Dieses Phänomen ist
besonders über dem tropischen Pazifik deutlich ausgeprägt. Darüber hinaus ist die südpazifische Konvergenzzone schärfer ausgeprägt und etwas zum Äquator hin
verschoben.
Der Einfluss anthropogener Aerosole führt also in den
Tropen zu stärker ausgeprägten, regional enger begrenzten
AEROSOLE
Niederschlagsgebieten und vergrößert zugleich die
Trockengebiete in den Subtropen. Solche Tendenzen werden bereits beobachtet [4]. Die Verbrennung fossiler Energieträger in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre hat
somit das Potenzial, das Klima in den Tropen und Subtropen zu beeinflussen. Die Anomalien der Bewölkung in den
Tropen und Subtropen sind überwiegend von gleichem
Vorzeichen wie die des Niederschlags. In den belasteten
Gebieten der mittleren Breiten hingegen hat zwar der Niederschlag ab-, die Bewölkung aber zugenommen. Die Ursache hierfür ist der Einfluss einer erhöhten Partikelkonzentration auf die Mikrophysik der Wolken. In unseren Simulationen ist der abkühlende Effekt des Aerosolanstiegs zu
etwa gleichen Teilen auf Änderungen der Wolkenalbedo
und des Wolkenwassergehaltes und damit der optischen
Dicke der Wolken zurückzuführen.
Lokal kann der negative Strahlungsantrieb von Aerosolen so groß sein, dass er den positiven Strahlungsantrieb
von Treibhausgasen mehr als ausgleicht. So beobachten wir
trotz weltweit ansteigender Temperaturen in stark belasteten Gebieten Südost-Asiens eine Abnahme der bodennahen
Temperaturen. Im Gegensatz aber zu den langlebigen Treibhausgasen sind anthropogene Aerosole in der Atmosphäre
sehr kurzlebig, weshalb ihr Strahlungsantrieb sehr rasch
steigenden oder sinkenden Emissionen folgt.
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AT M OS PH Ä R E N FO R S C H U N G
Atlantik bis nach Südamerika verfrachtet und dort vom tropischen Regen ausgewaschen. Möglicherweise trägt Saharastaub auf diese Weise sogar zur Fruchtbarkeit der Regenwälder im Amazonas Gebiet bei.
Um solche Rückkopplungsprozesse zwischen Klima
und Biosphäre besser zu verstehen, werden derzeit Modelle
entwickelt, welche die Vorgänge in der marinen und terrestrischen Biosphäre beschreiben. Mit der Implementierung
dieser Modelle in die Klimamodelle wird ein wichtiger
Schritt getan, das komplexe System Erde-Atmosphäre realistischer als bisher zu beschreiben.
Zusammenfassung
Zum Thema
Aerosolpartikel beeinflussen Wetter und Klima. Sie streuen
das Sonnenlicht zurück in den Weltraum oder absorbieren es
und bewirken damit eine Abkühlung der Erdoberfläche. Man
vermutet daher, dass die anthropogen produzierten Aerosole
den anthropogen verursachten Treibhauseffekt mildern.
Aerosole fungieren auch als Kondensationskerne für
Wassertröpfchen und Eiskristalle, womit sie die physikalischen
und optischen Eigenschaften von Wolken sowie die Verteilung
der Niederschläge beeinflussen. Um die Verteilung des
Aerosols realistisch simulieren und mit dem Klimasystem zu
koppeln, müssen die Massenverteilung, die chemische
Zusammensetzung und die Größenverteilung der Teilchen
bekannt sein.
Verbleibende Ungewissheiten
Einige Auswirkungen von Aerosolen können beim derzeitigen Wissensstand noch nicht quantifiziert werden. So verändern Aerosolpartikel die kurzwelligen Strahlungsflüsse
und damit die Photolyse- und photochemischen Reaktionsraten in der Atmosphäre. Nach Modellrechnungen
nimmt die Photolyserate von UV-absorbierenden Gasen wie
Ozon ab, wenn absorbierendes Aerosol dominiert, und sie
nimmt zu, wenn streuendes Aerosol überwiegt. Die Berücksichtigung von absorbierendem Aerosol bei der Berechnung
der Photolyseraten führt in Modellen zu einer Abnahme
von Ozon in der Grenzschicht um 5 – 8 %. Eine Reduktion
der SO2-Emissionen und damit der Menge streuender Aerosole könnte also zu einer Abnahme photochemischen
Smogs beitragen [5].
Neben den verschiedenen Rückkopplungsprozessen
zwischen Aerosol und Wolke könnten auch Wechselwirkungen zwischen Aerosol und Biosphäre klimarelevant sein.
Einerseits beeinflusst die Biosphäre die Partikelkonzentration in der Atmosphäre, wie das Dimethylsulfid aus der marinen Biosphäre oder Terpene aus der Vegetation. Andererseits wirken Aerosolpartikel auf die Biosphäre zurück, sobald sie aus der Atmosphäre ausgewaschen werden oder
sich ablagern. So übt in Mineralstaub enthaltenes Eisen
einen Düngeeffekt auf die marine Biosphäre aus. Eine Zunahme des Mineralstaubeintrags kann die biosphärische Aktivität im Ozean intensivieren und die Aufnahme von CO2
aus der Atmosphäre in den Ozean sowie die Produktion der
Schwefelspezies DMS verstärken [6]. Mineralstaub aus der
Sahara beispielsweise wird von kräftigen Winden über den
Stichworte
Aerosole, Klimaänderung, Strahlungsantrieb, Wolkenbildung, Treibhauseffekt.
Leben im
Treibhaus.
Unser Klimasystem
und was wir daraus
machen. P. Fabian,
Springer-Verlag,
Heidelberg 2002,
258 S. 60 Abb., 17
Tab., geb. 23,32 f.
Literatur
[1]
[2]
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[4]
[5]
[6]
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[8]
R. J. Charlson et al., Nature, 1987, 326, 655.
J. A. Coakley et al., Science, 1987, 237, 1020.
H. Kohl, Physik in unserer Zeit 2002, 33 (5), 232.
Houghton et al., 2001, IPCC 2001, Cambridge University Press,
Cambridge, UK.
R. R. Dickerson et al., Science, 1997, 278, 827.
F. T. Turner et al., Nature, 1996, 383, 513.
J. H. Seinfeld and S. N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics:
From Air Pollution to Climate Change, John Wiley & Sons Inc.,
New York, 1998.
F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light
by Small Particles, John Wiley & Sons Inc., New York ,1983.
Der Autor
Johann Feichter hat 1983 an der Universität
Innsbruck in Meteorologie promoviert, 1984 – 1989
Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, 1989 –
1993 Meteorologisches Institut der Universität
Hamburg, seit 1993 am Max-Planck-Institut
für Meteorologie in Hamburg, wo er sich mit der
Entwicklung von Computermodellen zur Untersuchung von Aerosol-Klima-Wechselwirkungen
beschäftigt.
Anschrift
Dr. Johann Feichter, Max Planck Institut für
Meteorologie, Bundesstraße 55, 20146 Hamburg.
[email protected].
Nr. 2 34. Jahrgang 2003
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