Aerosole

Aerosole dienen bei der Wolkenbildung als Kondensationskerne für Wassertröpfchen und als Kerne für die Bildung von Eiskristallen bei der Bildung von Eiswolken und begünstigen daher die Wolkenbildung. Sie verändern aber auch die Eigenschaften von Wolken. Satellitenstudien haben gezeigt, dass Wolken in Aerosol-belasteten Gebieten stärker reflektieren als Wolken in sauberer Luft. Der Grund liegt darin, dass bei gleicher Wasserdampfmenge eine höhere Aerosolkonzentration zur Bildung vieler kleinerer Tröpfchen führt, eine geringere Menge Aerosole dagegen zur Bildung weniger größerer Tröpfchen. Viele kleine Tröpfchen reflektieren aber die Sonnenstrahlung effektiver als wenige große, da ihre Oberfläche insgesamt größer ist. Eine Zunahme der Aerosole bewirkt daher eine Erhöhung der Wolkenalbedo und damit eine klimatische Abkühlung. In stark belasteter Luft reduzieren Aerosole die Größe der Wolkentröpfchen um 20-30 %, wodurch die Wolkenalbedo um bis zu 25% erhöht wird. Hierin besteht der 1. indirekte Effekt der Aerosole auf die Strahlung. Der IPCC gibt für den Strahlungsantrieb an der Obergrenze der Atmosphäre keine beste Schätzung an, sondern nur eine Bandbreite von 0,0 bis -2,0 W/m².¹

Abb. 1: Die indirekte Klimawirkung der Aerosole besteht in ihrem Einfluss auf die Wolkenbildung. Aerosole dienen im allgemeinen als Kondensationskerne und fördern die Wolkenbildung, wodurch Sonnenstrahlen stärker reflektiert werden (1. indirekte Wirkung). Bei einer höheren Anzahl von Kondensationskernen verringert sich die Tröpfchengröße, was eine Verringerung der Niederschläge und Verlängerung der Lebensdauer der Wolken zur Folge hat (2. indirekter Effekt). Die absorbierenden Ruß-Aerosole bewirken dagegen Erwärmung und Wolkenauflösung, wodurch mehr Sonnenstrahlen den Boden erreichen (semidirekter Effekt).

Aerosole haben außerdem einen Einfluss auf die Entwicklung von Wolken und Niederschlag, und darin besteht ihr 2. indirekter Effekt auf die Strahlung. Viele kleine Tröpfchen dämpfen die Niederschlagsneigung einer Wolke im Vergleich zu wenigen großen Tropfen. Die kritische Tröpfchengröße für die Entstehung von Niederschlag liegt bei 15 μm. Sind die Tröpfchen kleiner, werden sie weniger wahrscheinlich ausregnen und daher wird die Lebensdauer einer Wolke verlängert, und die Wolkenbedeckung und damit die Reflexion der Sonnenstrahlung nimmt zu. Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang auch der Einfluss der Aerosole auf die Wolkendynamik. In sauberer Luft wächst die Tröpfchengröße der Wolken mit deren Entwicklung und Ausdehnung in vertikaler Richtung, und die Tröpfchen erreichen den kritischen Radius von etwa 15 μm, bei dem es zum nassen Niederschlag kommt. In Aerosol belasteten Gebieten zeigen Satellitendaten nicht nur kleinere Tröpfchen an der Wolkenbasis (5-8 μm verglichen mit 10-15 μm in sauberer Luft), sondern auch ein Fehlen des Tröpfchenwachstums bei der Weiterentwicklung der Wolke und ihrem Aufstieg in der Atmosphäre. Folglich wird in Aerosol belasteten Wolken der Niederschlag verringert und somit die Auflösung der Wolken verzögert. Die Abschätzungen über den zweiten indirekten Effekt von Sulfat-Aerosolen sind so unsicher, dass der IPCC nur die weit auseinanderliegenden Ergebnisse einzelner Untersuchungen zitiert.² Zu bedenken sind in diesem Zusammenhang auch Feedbackprozesse. Die Verringerung des Niederschlags verlängert nicht nur die Lebensdauer der Wolken, sondern auch die der Aerosole, die hauptsächlich durch Niederschlag wieder aus der Atmosphäre entfernt werden. Die trockeneren Bedingungen ermöglichen es außerdem, dass mehr Staub und Rauch entsteht und in die Atmosphäre aufsteigen kann.

Auch bei dem indirekten Aerosol-Effekt kommt Ruß eine besondere Stellung zu. Durch die Absorption der Sonnenstrahlung erwärmt Ruß die atmosphärische Umgebung und trägt damit im Gegensatz zu Sulfat-Aerosolen zur Auflösung von Wolken bei. Beobachtungen über Amazonasbränden zeigen, dass starker Rauchanteil in dickeren Wolken die Temperatur in der oberen Wolkenschicht um 2-4 ^oC erhöht, wodurch Wassertröpfchen verdunsten und die Reflexion der Wolkenbedeckung verringert wird.³ Auch über dem Indischen Ozean wurde eine deutliche Reduzierung in der Wolkenbedeckung gefunden, die wahrscheinlich auf die Erwärmung der unteren Atmosphäre durch Rußpartikel zurückzuführen ist.⁴ Durch die Auflösung von Wolken kann mehr solare Strahlung den Erdboden erreichen. Dieser auch als semidirekter Effekt bezeichnete Vorgang wird von manchen Autoren als so bedeutend veranschlagt, dass sie eine Lösung des Treibhausproblems in der Reduzierung von Ruß sehen, andere bezweifeln jedoch eine solche Bedeutung des semidirekten Effekts.⁵ Ruß wirkt auf den Strahlungshaushalt auch über die Ablagerung auf Schnee- und Eisflächen. Stark mit Ruß verschmutzte helle Flächen absorbieren mehr und reflektieren weniger Solarstrahlung.

Anmerkungen:
1. IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001, Table 6.11
2. IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001, Table
3. Graf, H.-F. (2004): The Complex Interaction of Aerosols and Clouds, Science 303, 1309-1311; Koren, I., Y.J. Kaufman, L.A. Remer, and J.V. Martins (2004): Measurement of the Effect of Amazon Smoke on Inhibition of Cloud Formation, Science 303, 1342-1345
4. Cook, J., E.J. Highwood (2004): Climate response to tropospheric absorbing aerosols in an intermediate general-circulation model, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 130, 175- 191
5. Die Frage wird diskutiert bei Roberts, D.L., and A. Jones (2004): Climate sensitivity to black carbon aerosol from fossil fuel combustion, J. Geophys. Res., 109, No. D16, D16202, doi:10.1029/2004JD004676