Klimavorhersagen erfordern immer genauere Informationen über atmosphärische Partikel

Während das Wissen über die Mechanismen und die Dynamik des Wachstums atmosphärischer Nanopartikel im 21. Jahrhundert enorm zugenommen hat, berücksichtigen umfangreiche Modelle zur Vorhersage des Klimawandels die Auswirkungen von Nanopartikeln auf die Wolkenbildung und damit auf die Strahlungsbilanz der Erde noch nicht ausreichend genau.

Dies wird in a belegt Rezension veröffentlicht in der Rezensionen zur modernen Physik Zeitschrift, in der Forscher der Universität Helsinki, der TU Wien, der Universität Stockholm und des finnischen Meteorologischen Instituts Forschungsergebnisse zu atmosphärischen Nanopartikeln oder Aerosolpartikeln zusammengestellt haben, die in den letzten zwei Jahrzehnten durchgeführt wurden.

Insbesondere untersuchten die Forscher, wie die Bildung und das Wachstum von Aerosolpartikeln mit einer Größe von weniger als 25 Nanometern mit der Vorhersage der Bildung von Wolkentröpfchen zusammenhängen und wie Aerosoldaten zunehmend effektiv für Klimavorhersagen genutzt werden könnten.

Partikel beeinflussen das Reflexionsvermögen der Wolkendecke

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima auf zwei Arten: Erstens, indem sie direkt beeinflussen, wie viel Sonnenlicht auf die Erdoberfläche gelangt, und zweitens, indem sie Wolken bilden.

Wolken bestehen aus kleinen Tröpfchen, die durch Kondensation von Wasser auf der Oberfläche von Aerosolpartikeln in der Luft entstehen. Ohne Aerosolpartikel würden sich ohne ein ultrahohes Sättigungsverhältnis keine Wolkentröpfchen bilden.

Die Menge und Zusammensetzung der Aerosolpartikel bestimmt die Eigenschaften der Wolkendecke, einschließlich der Menge an Sonnenlicht, die von den Wolken zurück in den Weltraum reflektiert wird. Wenn die Wassermenge in der Luft konstant ist, führen große Mengen an Aerosolpartikeln zu einer kleineren Wolkentröpfchengröße, aber einer größeren Gesamtfläche der Tröpfchen. Dadurch entstehen auch hellere Wolken, die das Licht effektiver streuen.

Auch Schwefeldioxid, Ammoniak, bestimmte sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und andere durch menschliche Aktivitäten verursachte Emissionen erzeugen neue Partikel in der Atmosphäre. Die Bildung dieser Partikel erhöht die atmosphärische Partikelkonzentration über Werte, die für keine menschliche Aktivität typisch sind. Diese Partikel werden auch so groß, dass sie die Wolkenbildung und letztendlich das Klima beeinflussen.

Das Wachstum von Aerosolpartikeln ist ein sensibler Prozess, der von meteorologischen Bedingungen, den Gasen, Dämpfen und Partikeln in der Luft beeinflusst wird. Am häufigsten ist die Bildung und das Wachstum neuer Partikel in der Atmosphäre an klaren, sonnigen Tagen zu beobachten. Dabei bilden bestimmte Arten von Dampfmolekülen Cluster, an denen andere Dämpfe kondensieren können, wodurch Partikel entstehen, die groß genug sind, um zur Wolkenbildung beizutragen.

In dem Übersichtsartikel bestand das Ziel der Forscher darin, die Lücke zwischen experimenteller Forschung und Modellierung zu schließen, die Unsicherheit im Zusammenhang mit dem Partikelwachstum zu minimieren und Mittel für eine bessere Klimamodellierung bereitzustellen.

Ein Beispiel für die mit dem Partikelwachstum verbundene Unsicherheit ist die genaue experimentelle Bestimmung ihrer Wachstumsrate an mehreren Messstandorten auf der ganzen Welt. Dies gilt insbesondere für Partikel mit einer Größe unter 5 Nanometern. Darüber hinaus entsteht Unsicherheit durch die detailliertere physikalische und chemische Beschreibung des Partikelwachstums in globalen Klimamodellen.

„Die neuesten experimentellen Ergebnisse ermöglichen ein viel besseres Verständnis der Entstehung und des Wachstums verschiedener Partikel, können jedoch nicht optimal in Klimamodellen angewendet werden, da ihre genaue Modellierung zu viel Rechenleistung erfordert. Die Berücksichtigung dieser experimentellen Ergebnisse in Modellen kann besser sein.“ vorhersagen, wie sich menschliche Aktivitäten auf die Luftqualität und das Klima auswirken. Sobald die Modelle genauer sind, können sie die miteinander verbundenen Auswirkungen verschiedener menschlicher Störungen auf das Klimasystem besser vorhersagen“, sagt der Postdoktorand Runlong Cai vom Institut für Atmosphären- und Erdsystemforschung INAR am der Universität Helsinki.

„Als nächstes wird es entscheidend sein, die Rolle der verschiedenen Dämpfe zu bestimmen, die am Partikelwachstum beteiligt sind, und diese Dämpfe und Wachstumsmechanismen in Klimamodellen genauer zu modellieren“, sagt Universitätsforscher Juha Kangasluoma vom INAR.