Wissenschaftler finden menschlichen „Fingerabdruck“ im zunehmenden Ozon der oberen Troposphäre

Ozon kann eine gute oder eine schädliche Wirkung haben, je nachdem, wo man es in der Atmosphäre findet. Hoch oben in der Stratosphäre schützt das farblose Gas die Erde vor den harten ultravioletten Strahlen der Sonne. In Bodennähe ist Ozon jedoch ein schädlicher Luftschadstoff, der chronische Gesundheitsprobleme wie Brustschmerzen, Atembeschwerden und Beeinträchtigung der Lungenfunktion auslösen kann.

Und irgendwo dazwischen, in der oberen Troposphäre – der Atmosphärenschicht direkt unter der Stratosphäre, wo die meisten Flugzeuge vorbeifliegen – trägt Ozon als starkes Treibhausgas zur Erwärmung des Planeten bei.

Es gibt Anzeichen dafür, dass die Ozonkonzentration in der oberen Troposphäre trotz der Bemühungen vieler Länder, die Ozonquellen an der Erdoberfläche zu reduzieren, weiter zunimmt. Nun bestätigen Wissenschaftler des MIT, dass ein Großteil der Ozonkonzentration in der oberen Troposphäre wahrscheinlich auf den Menschen zurückzuführen ist.

In einem Papier veröffentlicht heute (2. August) in der Zeitschrift Umweltwissenschaft und -technologieDas Team berichtet, dass es in einer 17-jährigen Satellitenaufzeichnung ab 2005 ein klares Signal des menschlichen Einflusses auf die Ozonentwicklung in der oberen Troposphäre entdeckt habe.

„Wir bestätigen, dass es einen klaren und zunehmenden Trend zu mehr Ozon in der oberen Troposphäre in den nördlichen mittleren Breiten gibt, der eher auf den Menschen zurückzuführen ist als auf Klimalärm“, sagt der leitende Studienautor Xinyuan Yu, ein Doktorand am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) des MIT.

„Jetzt können wir mehr Detektivarbeit leisten und versuchen zu verstehen, welche spezifischen menschlichen Aktivitäten zu diesem Ozontrend führen“, fügt Co-Autorin Arlene Fiore hinzu, die Peter H. Stone und Paola Malanotte Stone Professorin für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften.

Zu den MIT-Autoren der Studie gehören Sebastian Eastham und Qindan Zhu sowie Benjamin Santer von der University of California in Los Angeles, Gustavo Correa von der Columbia University, Jean-François Lamarque vom National Center for Atmospheric Research und Jerald Zimeke vom NASA Goddard Space Flight Center.

Das verworrene Netz des Ozons

Die Ursachen und Einflüsse von Ozon zu verstehen, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Ozon wird nicht direkt ausgestoßen, sondern ist ein Produkt von „Vorläufersubstanzen“ – Ausgangsstoffen wie Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die in Gegenwart von Sonnenlicht zu Ozon reagieren. Diese Vorläufersubstanzen entstehen durch Fahrzeugabgase, Kraftwerke, chemische Lösungsmittel, industrielle Prozesse, Flugzeugabgase und andere vom Menschen verursachte Aktivitäten.

Ob und wie lange Ozon in der Atmosphäre verbleibt, hängt von einer Reihe von Variablen ab, darunter Art und Ausmaß menschlicher Aktivitäten in einem bestimmten Gebiet sowie natürliche Klimavariabilität. So könnte beispielsweise ein starkes El Niño-Jahr die Luftzirkulation so beeinflussen, dass die Ozonkonzentrationen beeinflusst werden, unabhängig davon, wie viel Ozon der Mensch in diesem Jahr in die Atmosphäre einbringt.

Besonders schwierig ist es, die vom Menschen verursachten und die vom Klima verursachten Ursachen des Ozontrends zu unterscheiden, insbesondere in der oberen Troposphäre. Erschwerend kommt hinzu, dass in der unteren Troposphäre – der untersten Schicht der Atmosphäre, die dem Boden am nächsten liegt – der Ozongehalt nicht mehr steigt und in einigen Regionen der nördlichen mittleren Breiten in den letzten Jahrzehnten sogar gesunken ist. Dieser Rückgang des Ozons in der unteren Troposphäre ist hauptsächlich auf die Bemühungen in Nordamerika und Europa zurückzuführen, die industriellen Luftverschmutzungsquellen zu reduzieren.

„In Bodennähe hat man in einigen Regionen einen Rückgang des Ozons beobachtet, und seine Schwankungen hängen stärker mit den Emissionen des Menschen zusammen“, bemerkt Yu. „In der oberen Troposphäre werden die Ozontrends weniger gut überwacht, scheinen sich aber von denen in Bodennähe zu entkoppeln, und Ozon wird leichter von Klimaschwankungen beeinflusst. Wir wissen also nicht, ob und wie viel von diesem Anstieg des beobachteten Ozons in der oberen Troposphäre auf den Menschen zurückzuführen ist.“

Ein menschliches Signal im Klimalärm

Yu und Fiore fragten sich, ob ein menschlicher „Fingerabdruck“ in den Ozonwerten, der direkt durch menschliche Aktivitäten verursacht wird, stark genug sein könnte, um bei Satellitenbeobachtungen in der oberen Troposphäre erkennbar zu sein. Um ein solches Signal zu sehen, müssten die Forscher zunächst wissen, wonach sie suchen müssen.

Dazu verwendeten sie Simulationen des Klimas und der Atmosphärenchemie der Erde. Sie folgten Ansätzen aus der Klimawissenschaft und kamen zu dem Schluss, dass, wenn sie eine Reihe möglicher Klimaschwankungen in den letzten Jahrzehnten simulieren könnten, alle mit identischen vom Menschen verursachten Quellen von Ozonvorläuferemissionen, aber jeweils mit leicht unterschiedlichen Klimabedingungen, dann müssten alle Unterschiede zwischen diesen Szenarien auf Klimarauschen zurückzuführen sein.

Daraus lässt sich schließen, dass jedes gemeinsame Signal, das bei der Mittelung der simulierten Szenarien auftritt, auf vom Menschen verursachte Ursachen zurückzuführen sein muss. Ein solches Signal wäre dann ein „Fingerabdruck“, der vom Menschen verursachtes Ozon offenbart, und das Team könnte in tatsächlichen Satellitenbeobachtungen danach suchen.

Mit dieser Strategie im Hinterkopf führte das Team Simulationen mit einem hochmodernen chemischen Klimamodell durch. Sie spielten mehrere Klimaszenarien durch, die jeweils im Jahr 1950 begannen und bis 2014 reichten.

Bei ihren Simulationen erkannte das Team ein klares und gemeinsames Signal in allen Szenarien, das sie als menschlichen Fingerabdruck identifizierten. Anschließend untersuchten sie troposphärische Ozonprodukte, die von mehreren Instrumenten an Bord des NASA-Satelliten Aura abgeleitet wurden.

„Ehrlich gesagt dachte ich, die Satellitendaten würden einfach zu viel Rauschen aufweisen“, gibt Fiore zu. „Ich hätte nicht erwartet, dass das Muster robust genug sein würde.“

Doch die Satellitenbeobachtungen, die sie nutzten, lieferten ihnen eine ausreichend gute Prognose. Das Team durchsuchte die aus den Satellitenprodukten gewonnenen Ozondaten der oberen Troposphäre aus den Jahren 2005 bis 2021 und stellte fest, dass sie tatsächlich das Signal des vom Menschen verursachten Ozons sehen konnten, das ihre Simulationen vorhersagten.

Besonders ausgeprägt ist das Signal über Asien, wo die industrielle Aktivität in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen hat und wo reichlich Sonnenlicht und häufige Wetterereignisse die Schadstoffe, darunter Ozon und seine Vorläufer, in die obere Troposphäre befördern.

Yu und Fiore versuchen nun, die spezifischen menschlichen Aktivitäten zu identifizieren, die zum Anstieg des Ozons in der oberen Troposphäre führen.

„Woher kommt dieser steigende Trend? Sind es die bodennahen Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Fahrzeugmotoren und Kraftwerken? Sind es die Flugzeuge, die in der oberen Troposphäre fliegen? Ist es der Einfluss von Waldbränden? Oder eine Kombination aus all dem?“, fragt Fiore. „Die Fähigkeit, vom Menschen verursachte Auswirkungen von natürlichen Klimaschwankungen zu trennen, kann dabei helfen, Strategien zur Bekämpfung des Klimawandels und der Luftverschmutzung zu entwickeln.“

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.