Forscher enthüllen Ursprung klimaregulierender Partikel

Aerosolpartikel sind winzig. Die meisten schweben in der Luft um uns herum und sind kleiner als das kleinste Insekt, dünner als das dünnste Haar auf unserem Kopf. Es sind hauchdünne Partikel, die mit bloßem Auge praktisch nicht zu erkennen sind. Neu gebildete Aerosolpartikel sind nanogroß. Dennoch ist ihr Einfluss gigantisch.

Sie bestimmen die Farbe der Sonnenuntergänge. Sie sind die Ursache für über drei Millionen vorzeitige Todesfälle pro Jahr. Und sie haben einen enormen Einfluss auf unser Klima.

Trotz ihrer enormen Wirkung sind Aerosole ein Rätsel. Wie entstehen neue Aerosolpartikel? Wo und unter welchen Bedingungen entstehen sie? Solche Fragen beschäftigen Klimaforscher seit Jahrzehnten und verleihen Klimamodellen eine anhaltende Unsicherheit.

In neuer Arbeitein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums, hat endlich einige der grundlegendsten Fragen zur Entstehung neuer Aerosolpartikel beantwortet. Indem das Team, dessen Arbeit im Rahmen des Projekts EAGLES (Enabling Aerosol-cloud interactions at GLobal convection-permitting scalES) durchgeführt wird, Wechselwirkungen auf molekularer Ebene zwischen den Substanzen, aus denen diese winzigen Partikel bestehen, in einem Erdsystemmodell berücksichtigte, erreichte es drei wichtige Meilensteine.

Sie integrierten elf neue Wege, auf denen neue Aerosolpartikel entstehen, in ein globales Klimamodell, ermittelten, wo auf der Welt sich diese Wege entwickeln, und beurteilten ihre möglichen Auswirkungen auf das Klima der Erde.

„Die korrekte Darstellung der Entstehung neuer Partikel ist uns schon seit einiger Zeit ein Dorn im Auge“, sagte der Erdwissenschaftler und Hauptforscher von EAGLES, Po-Lun Ma. „Nachdem wir nun diese neuen Mechanismen identifiziert haben, können unsere Ergebnisse zwei wichtige Dinge bewirken: Sie verringern die bisher größte Unsicherheitsquelle in der Aerosol-Klimawissenschaft erheblich und verbessern unsere Fähigkeit, vorherzusagen, wie sich das Erdsystem verändern könnte.“

Ihre Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Natur. Die Arbeit stellt das Ergebnis einer Zusammenarbeit vieler Institutionen dar.

Partikel-Hotspots

Aerosolpartikel entstehen auf unterschiedliche Weise. Einige, sogenannte primäre Aerosole, werden direkt in die Atmosphäre ausgestoßen, wie Wüstenstaub oder Vulkanasche. Andere entstehen am Himmel als Produkte von Gasen, die sich im atmosphärischen Milieu vermischen – diese Partikel sind es, die die Aufmerksamkeit des EAGLES-Teams auf sich ziehen.

Neue Partikel entstehen nicht einfach irgendwo, es gibt Hotspots. Ein Großteil der Aktivität findet über Wäldern statt, wie den Regenwäldern im zentralen Amazonasgebiet und Südostasien.

Dort ermöglicht die „saubere“ Luft ohne primäre Aerosole die richtige Art der chemischen Vermischung, die zur Bildung neuer Partikel führt. Wissenschaftler haben über diesen Wäldern enorme Konzentrationen neuer Partikel festgestellt.

Doch heutige Klimamodelle berücksichtigen diese großen Partikelspitzen zum Teil nicht. Selbst die besten Modelle unterschätzen deren Häufigkeit oder ermitteln falsch, in welchen Höhen sie auftreten, wenn sie die Menge der vorhandenen Partikel oder deren Auftreten abschätzen müssen.

Dank der neuen, vom EAGLES-Team erarbeiteten Pfade wird dieser blinde Fleck nun jedoch deutlich. Als das Team die Pfade in das Erdsystemmodell des DOE einfügte, E3SMstimmten die Partikelspitzen mit dem überein, was sie in realen Beobachtungen gesehen hatten.

Das überarbeitete Modell simulierte nicht nur die Menge dieser Partikel korrekt, sondern stimmte auch mit den Orten überein, an denen die Forscher sie während der Feldstudien gefunden hatten. Es erkannte richtig, dass viele der neuen Partikel in der oberen Troposphäre auftauchen. Das Team war ähnlich erfolgreich bei der Übereinstimmung der Modellvorhersagen mit realen Messungen an anderen Hotspots, etwa über Ozeanen und Städten.

Bei einer weltweiten Betrachtung stellte das Team fest, dass die durchschnittliche globale Konzentration dieser Partikel fast dreimal so hoch war wie die mit herkömmlichen Methoden geschätzte Menge.

Klimaregulierende Wolken

Aerosole und Wolken sind eng miteinander verbunden. Aerosolpartikel sind die Keime der Wolken. Luftfeuchtigkeit kondensiert auf den Oberflächen von Aerosolpartikeln, wobei sich ein Wassermolekül nach dem anderen verklumpt, wie Zuckerwattestränge, die sich über einen Kegel schichten.

Die Eigenschaften eines Partikels – seine chemische Zusammensetzung, seine Größe und Struktur – bestimmen die Eigenschaften der Wolke, die sich um ihn herum bildet. Ein Partikeltyp kann die Wahrscheinlichkeit von Regen in der entsprechenden Wolke erhöhen oder verringern. Ein anderer kann bestimmen, ob eine Wolke mehr oder weniger Sonnenlicht reflektiert, was wiederum bestimmt, ob sich die Erdatmosphäre mehr oder weniger erwärmt.

Auf diese Weise bestimmen Wolken und Aerosolpartikel einen Großteil unseres Wetters und Klimas. Sie können die Erdatmosphäre erwärmen, abkühlen oder sogar ihre Struktur und Strömung verändern.

Viele Wissenschaftler glauben, dass neue Partikel – die Art, die das EAGLES-Team zu verstehen versucht – etwa die Hälfte der weltweiten Keime ausmachen, aus denen später Wolken entstehen. In der neuen Arbeit zeigt das Team jedoch, dass diese Partikel in manchen Regionen für noch mehr verantwortlich sein könnten.

Über den tropischen Ozeanen und den Ozeanen mittlerer Breiten könnten lokal erzeugte neue Partikel bis zu 80 Prozent des Materials ausmachen, auf dem Wolken kondensieren. Über Europa und dem Osten der Vereinigten Staaten könnten sie 65 Prozent des Wolkenkeimmaterials ausmachen.

Die Rolle der Partikel bei der Reaktion auf das Klima

Das Verständnis, wie Aerosole das Klima der Erde beeinflussen, ist ein Schlüsselfaktor bei der Vorhersage, wie sich unsere Welt verändern wird. Wenn die Nationen versuchen, die globale Erwärmung durch Emissionsreduzierung einzudämmen, wird das Klima entsprechend reagieren. Und um die Reaktion des Klimas vorhersagen zu können, ist es laut Ma unerlässlich, die Klimamodelle zu verbessern, damit sie die Komplexität des Erdsystems möglichst genau widerspiegeln.

„Unser übergeordnetes Ziel ist es, immer realistischere Darstellungen des Klimasystems zu schaffen“, sagte Ma. „Und Aerosole waren ein großes Hindernis auf dem Weg zu diesem Ziel. Wir verlassen uns so sehr auf Erdsystemmodelle – um Emissionsszenarien zu testen und Klimareaktionen vorherzusagen. Je genauer sie die Realität widerspiegeln, desto sicherer können wir unsere Vorhersagen machen.“

Obwohl Aerosolpartikel noch immer viele Rätsel aufgeben, arbeiten Forscher kontinuierlich daran, diese Unsicherheit zu beseitigen, sagt der Geowissenschaftler Hailong Wang, einer der Koautoren der neuen Studie.

„Wir können nicht mit Sicherheit sagen, welche Auswirkungen ihre Anwesenheit oder Abwesenheit haben wird, bis wir ein solides, mechanistisches Verständnis von Aerosolpartikeln haben“, sagte Wang. „Und diese Forschung stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Verständnisses dar.“