Aerosole und Extremereignisse

Aus Klimawandel

Einleitung

Aerosole sind bekannt als Gegenspieler der Treibhausgase. Während die durch den Menschen emittierten Treibhausgase als wichtigste Ursache des Klimawandels gelten, haben Aerosole ihn über Jahrzehnte um etwa ein Viertel verringert.[1] Nach Zheng et al. (2020) ist dadurch der Klimawandel bisher um etwa 40 Jahre verzögert worden.[2] Ohne den Aerosol-Effekt wäre die 1,5 °C Grenze zu einem „gefährlichen“ Klimawandel bereits vor einigen Jahren überschritten worden.[3] Da Aerosole nur eine sehr kurze Verweilzeit von einigen Tagen bis zu wenigen Wochen in der Atmosphäre besitzen, ist ihre Wirkung in einigen Regionen deutlich höher, in anderen niedriger.

Abb. 1: Änderung der Sulfat-Belastung 1970-2010 (links) und die resultierende Änderung der Strahlung (rechts)

Nach dem 2. Weltkrieg gab es zunächst einige Jahrzehnte lang einen starken Anstieg der Aerosolbelastung (vor allem von Sulfataerosolen) in Europa und Nordamerika als Folge der rasanten Industrie- und Verkehrsentwicklung. Die zunehmende Aerosolbelastung erwies sich jedoch bald als ein Problem für die Gesundheit der Bevölkerung und wurde zudem für sauren Regen und Waldsterben verantwortlich gemacht. In Europa und den USA wurden seit den 1970er/1980er Jahren daher Maßnahmen ergriffen, die zu einer deutlichen Reduzierung der Schwefeldioxid-Emissionen führten, den Vorläufern von Sulfataerosolen.[4] Im Gegensatz dazu haben Aerosol-Emissionen in China bis 2010 deutlich zu- und erst danach mehr und mehr abgenommen, während sich in Indien der Anstieg weiter fortgesetzt hat.[3] Seit den 2020er Jahren zeigt sich zunehmend die problematische Seite der Aerosolabnahme: Sie enthüllt die volle Wirkung der Treibhausgase. So wurden die beiden bisher wärmsten Jahre 2023 und 2024 auch auf die Abnahme der Aerosolbelastung zurückgeführt.[5]

Folgen der Aerosoländerungen

Sulfat-Aerosole entstehen hauptsächlich durch das Verbrennen fossiler Energien, also ähnlich wie Kohlendioxid (CO2), das wichtigste Treibhausgas. Das hat die paradoxe Konsequenz, dass je mehr die CO2-Emission zurückgehen, wozu sich die meisten Staaten der Erde bei dem Pariser Abkommen bekannt haben, um so stärker nimmt die Aerosol-Belastung ab. Nur hat das eine eine Abkühlung, das andere eine Erwärmung des Klimas zur Folge. Ein erfolgreicher Klimaschutz nach dem Szenario SSP1-1.9 würde nach Modellsimulationen bis 2050 den weiteren Temperaturanstieg durch Treibhausgase auf maximal 0,2 °C eindämmen, er würde aber gleichzeitig die Erwärmung durch eine abnehmende Aerosol-Konzentration um bis zu 2 °C stark erhöhen.[6]

Änderungen der Aerosol-Konzentration beeinflussen aber nicht nur das mittlere Klima, sondern auch extreme Wetterereignisse. Das vielleicht bekannteste Beispiel der Vergangenheit ist die große Sahel-Dürre in den 1970er und 1980er Jahren, der über 100.000 Menschen zum Opfer fielen. Als Hauptursache dieser vielleicht weltweit größten Dürre der jüngeren Geschichte gelten heute die zunehmenden Aerosolemissionen aus Europa und Nordamerika durch die schmutzige Industrie in den Nachkriegsjahrzehnten.[7] In jüngster Zeit wurden Extremereignisse eher mit einer Abnahme von Aerosolen in Beziehung gesetzt. Besonders sichtbar wurde das während der Corona-Pandemie, als viele Aktivitäten durch Lockdown-Maßnahmen oder andere Einschränkungen reduziert wurden. Das führte nicht nur zu sauberer Luft in manchen Ballungsräumen, sondern auch zu einer Intensivierung von extremen Wetterereignissen. So wurden die Rekordniederschläge in China 2020 auf die abrupte Reduktion der Emissionen von Aerosolen während der Corona-Pandemie zurückgeführt.[8] Ähnlich sind wohl auch die Erhöhung der Temperatur und die geringe Luftfeuchtigkeit, die 2020 starke Waldbränden in den westlichen USA bewirkt haben, teilweise durch die Abnahme von Aerosol-Emissionen bedingt.[9]

Die zukünftige Reduktion von Aerosolen wird signifikant zur Klimaerwärmung beitragen und die Häufigkeit und Stärke von Extremereignissen erhöhen. Die Auswirkungen von Aerosolen werden dabei nach Wang et al. (2023) bei weitem die der Treibhausgase übertreffen.[6]

Aerosole und Hitzewellen

Hitzewellen können durch zahlreiche Klimafaktoren beeinflusst werden wie Klimaschwankungen, großräumige Fernwirkungen, Änderungen der Zirkulation, Wechselwirkungen mit der Bodenfeuchtigkeit und anthropogene Antriebe. Bei letzteren sind die anthropogenen Aerosole der größte Unsicherheitsfaktor.[10] Aerosole haben die Zunahme der globalen Mitteltemperatur durch Treibhausgase um 30-50% reduziert und dabei auch die Häufigkeit und Stärke von Hitzewellen unterdrückt.[11] Das haben z.B. Untersuchungen für die extreme Hitzewelle in Europa 2003 gezeigt.[12] Bis in die 1990er Jahre haben Aerosole die Wirkung von Treibhausgasen maskiert, indem sie die Dauer von Hitzewellen um einen Tag pro Jahrzehnt verkürzt und die Intensität um fast ein °C abgekühlt haben.[13] Regional war das besonders in Europa, Nordamerika und später in Ostasien der Fall.[14]

Seit den 1980er Jahren nimmt die Aerosolbelastung immer mehr ab, zunächst in Nordamerika und Europa, seit 2010 auch in China. Das hat auch Auswirkungen auf die Wirkung von Treibhausgasen auf Hitzewellen, die zunehmend deutlicher hervortreten. Da die Aerosolkühlung mehr und mehr ausfiel, verlängerte sich die Dauer von Hitzewellen in diesen Regionen und die Intensität wurde stärker. Die Wirkung der abnehmenden Aerosol-Konzentration ist besonders dadurch bedingt, dass weniger Aerosole in der Atmosphäre weniger Wolken entstehen lassen. Dadurch kann die Solarstrahlung ungehinderter den Erdboden erreichen und die unteren Luftschichten aufheizen.[13]

Abb. 2: Änderung der Hitzewellentage pro Jahr nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 bis 2050 durch den Rückgang nur der THG-Konzentration (a) sowie bei zusätzlicher Abnahme der Aerosolemissionen (b).

Aus Umweltgründen wird die Aerosolbelastung auch zukünftig zurückgehen. Zusätzlich werden durch die Reduktion des Verbrauchs von Kohle, Öl und Gas weniger Aerosole in die Atmosphäre gelangen. Bei dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9, das dem 1,5-Grad-Ziel des Pariser Abkommens entspricht, würde die CO2-Konzentration bis 2100 auf 400 ppm abnehmen. Zugleich würde die Emission von Schwefeldioxid, dem Vorläufergas der Sulfataerosole, um 90% zurückgehen. Die Temperatur würde sich nur noch sehr minimal durch die weiterhin emittierten geringen Mengen an Treibhausgasen erhöhen, regional maximal um 0,2 °C. Der weitgehende Wegfall der Aerosol-Kühlung würde dagegen eine globale Erwärmung von 2 °C in den mittleren bis hohen Breiten der Nordhalbkugel zur Folge haben.[6] Die Intensität der stärksten Hitzewellen könnte sich dadurch um 2-4 °C erhöhen und die Anzahl der Hitzetage pro Jahr deutlich erhöhen (Abb. 2). Die stärkere Reduktion der geographisch sehr heterogen verbreiteten Aerosole wird in Europa und China noch einmal 0,7 °China hinzufügen.[10]

Aerosoländerungen und Dürren

Dürren im Sahel

Die bereits erwähnte Sahel-Dürre der 1970er und 1980er Jahre wurde früher mit Änderungen der Landbedeckung durch Überweidung und Übernutzung erklärt und mit dem starken Bevölkerungswachstum. Die verringerte Vegetationsbedeckung erhöhte nach dieser Auffassung die Albedo, wodurch mehr Sonneneinstrahlung reflektiert wurde, die Temperaturen absanken und es weniger Konvektion und Niederschläge gab.[15] Spätere Untersuchungen zeigten jedoch, dass der unmittelbare Grund eine Abkühlung des Nordatlantiks war, wodurch sich der westafrikanische Monsun abschwächte. Als Ursache für die Abkühlung des Nordatlantiks und damit als Hauptantrieb für die Sahel-Dürre gelten inzwischen die Aerosolemissionen aus Europa und Nordamerika durch die schmutzige Industrie in den Nachkriegsjahrzehnten.[7][16] Seit den 1990er Jahren haben die Niederschläge über dem Sahel jedoch wieder zugenommen. Ein wesentlicher Grund ist der Rückgang der Aerosolkonzentration über dem Nordatlantik, wodurch die westafrikanische Monsunzirkulation sich wieder nach Norden ausdehnte und dem Sahel mehr Regen brachte.[17]

Dürren in Indien und China

Auch in den bevölkerungsreichsten Ländern der Erde Indien und China lebt der größte Teil der Einwohner unter dem Einfluss des Monsuns und unter einer sehr hohen Aerosolbelastung (Abb. 3). Im Gegensatz zur Sahelzone werden die Aerosole bzw. ihre Vorläuferstoffe weniger in fernen Ländern emittiert, sondern sind vor allem hausgemacht. Ursache ist in erster Linie das Verbrennen von Kohle zur Energieerzeugung. China hat jedoch seine Emissionen von 2007 bis 2016 um 75% gesenkt, während diejenigen Indiens weiter um 50% gestiegen sind. Indien ist aktuell weltweit der größte Emittent von Schwefeldioxid.[18]

Abb. 3: Bevölkerungsdichte und Aerosolverbreitung in Süd- und Ostasien. Aerosol Optische Dicke (AOD): 0,1 = klarer Himmel, 0,6 = stark getrübter Himmel.

Das Verbrennung von Biomasse und fossilen Energieträgern hat über Indien und Südasien zu einer starken Aerosolverbreitung geführt und die Bedeckung mit Wolken in der unteren Atmosphäre verstärkt. Die Folge waren eine Abnahme der Sonneneinstrahlung und Abkühlung über dem Subkontinent. Hinzu kam eine Erwärmung des nördlichen Indischen Ozeans. Durch beide Prozesse nahm der Temperaturunterschied zwischen Land und Meer ab, wodurch sich der Sommermonsun abschwächte und in den letzten Jahrzehnten weniger Niederschlag fiel.[19] Damit im Einklang nahmen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Häufigkeit, Dauer und Intensität von Dürreperioden zu und die Bodenfeuchte ab.[20]

Auch in China haben seit den 1950er Jahren Aerosol-Emissionen durch eine schnelle Industrialisierung und ökonomische Entwicklung bis ins 21. Jahrhundert hinein stark zugenommen. Die stärkere Aerosolbelastung ließ die kurzwellige Strahlung der Sonne graduell abnehmen, wodurch es zu einer Abkühlung über dem Kontinent um 1 °C und mehr kam. Dadurch verdunstete weniger Wasser und verringerte sich der Niederschlag. Vor allem aber schwächte sich der Ostasiatischen Monsun ab. Ursache war der Rückgang der Differenz zwischen den Temperaturen über dem Osten Chinas und dem Südchinesischen Meer und westlichen Pazifischen Ozean um 0,65 °C.[21] In extremen Fällen setzen sich kontinentale Nordwinde durch, die trockene Luft mitbrachten und zu Dürren führten (Abb. 3). Vor allem über Nordchina haben extreme Dürren als Folge geringerer Niederschläge und höherer Temperaturen an Fläche, Intensität, Dauer und Häufigkeit stark zugenommen.[22]

Abb. 4: Monsunwinde und Niederschlag in normalen Sommern 1979-2014 (links) sowie in den sechs trockensten Sommern der Periode in Nordchina (rechts). OASM: Ostasiatischer Sommermonsun.

Nachdem die Aerosol-Konzentration im frühen 21. Jahrhundert zu den höchsten der Welt gehörten, haben sie seit den 2010er Jahren durch staatliche Maßnahmen in China deutlich abgenommen.[23] Die Temperaturen über dem Land nahmen dadurch 2,6 Mal stärker zu als über dem Ozean. Der erhöhte thermische Kontrast zwischen Land und Meer verstärkt den Sommermonsun und bewirkte mehr Niederschläge. Die Veränderung der Monsunniederschläge wirkte sich auf Ökosysteme, Industrie und Landwirtschaft aus und ist besonders für die Ernährungssicherheit von Milliarden von Menschen in Asien von Bedeutung.[24]

Aerosole und Tropische Wirbelstürme

Aerosole beeinflussen die Temperatur nicht nur in der Atmosphäre, sondern auch in der oberen Schicht der Ozeane. Die Meeresoberflächentemperaturen sind aber ein entscheidender Faktor für die Bildung von tropischen Wirbelstürmen, die erst ab einer Temperatur von über 26 °C entstehen. Der globale Trend der Anzahl tropischer Wirbelstürme zeigt seit den 1940er bis in die 1970er Jahre eine deutliche Abnahme (vgl. Tropische Wirbelstürme und globale Erwärmung). Der Rückgang ist jedoch wesentlich durch die Entwicklung im nordwestlichen Pazifik bedingt, wo weltweit mit Abstand die meisten tropischen Wirbelstürme entstehen. Die Häufigkeit von Taifunen im NW-Pazifik, aber auch von tropischen Wirbelstürmen im südlichen Pazifik geht im Gegensatz zum Nordatlantik auch im Zeitraum 1980-2018 zurück. Der Nordatlantik zeigt dagegen seit den 1980er Jahren eine auffällige Zunahme der Hurrikan-Aktivität (Abb. 5).[25]

Abb. 5: Veränderung der Häufigkeit von tropischen Wirbelstürmen zwischen 1980 und 2018 (Anzahl pro Jahr)

Als Ursachen der sich ändernden Aktivität tropischer Wirbelstürme, werden Einflüsse natürlicher Klimaschwankungen, der globalen Erwärmung durch Treibhausgase, aber auch die Verbreitung anthropogener Aerosole diskutiert. So wird die Ausbreitung von Aerosolen über dem Nordatlantik in den Jahrzehnten nach dem 2. Weltkrieg als eine Ursache der abnehmenden Meeresoberflächentemperaturen bis 1980 gesehen.[26] Dazu passt wiederum eine schwache Hurrikan-Aktivität zwischen den 1960er und 1980er Jahren (vgl. Hurrikane im Atlantik). Mit dem Rückgang der Aerosolverbreitung in den folgenden Jahrzehnten durch die Luftreinhaltepolitik in Nordamerika und Europa nahm dann die Hurrikan-Häufigkeit sichtlich zu.[27] Andere Untersuchungen haben den Aerosol-Einfluss auf die Zunahme der Hurrikan-Aktivität seit den 1970er Jahren auf ca. 25% quantifiziert.[28]

Die Abnahme der Häufigkeit von Taifunen seit 1980 im westlichen Nordpazifik wird von einigen Studien mit der anhaltenden Emission von Sulfataerosolen und ihren Vorläuferstoffen begründet.[27] In Ost- und Südasien hat die Aerosolbelastung durch die anlaufende Industrialisierung seit den 1980er Jahren stark zugenommen, wodurch sich die Meeresoberflächentemperaturen verringerten und die Aktivität tropischer Wirbelstürme unterdrückt wurde.[29] Die in Abb. 5 auffällige Abnahme der Aktivität von tropischen Wirbelstürmen auch auf der Südhalbkugel führt Murakami (2022)[29] auf die Fernwirkungen der Hurrikan-Änderungen über dem Atlantik zurück. Die Aerosol-Reduktion in Europa und Nordamerika habe zu eine unterschiedlichen Erwärmung von Nord- und Südhalbkugel geführt und eine Änderung der tropischen Zirkulation bewirkt, durch die weniger tropische Wirbelstürme auf der Südhalbkugel entstanden.

Auch für die nächsten Jahrzehnte ist mit einer Aerosol-Abnahme zu rechnen und daher mit entsprechend stärkeren Hurrikan-Aktivitäten, wobei die Bedeutung der Aerosole im Laufe des 21. Jahrhunderts zunehmend von der der Treibhausgase abgelöst wird.[28]

Einzelnachweise

  1. ↑ IPCC AR6 WGI (2021): Climate Change 2021, WG I: The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity, Figure 7.7
  2. ↑ Zheng, Y., Davis, S.J., Persad, G.G. et al. (2020): Climate effects of aerosols reduce economic inequality. Nat. Clim. Chang. 10, 220–224
  3. ↑ 3,0 3,1 Quaas, J., H. Jia, C. Smith, A.L. Albright et al. (2022): Robust evidence for reversal of the trend in aerosol effective climate forcing, Atmos. Chem. Phys., 22, 12221–12239
  4. ↑ Persad, G., B.H. Samset and L.J. Wilcox et al. (2023): Rapidly evolving aerosol emissions are a dangerous omission from near-term climate risk assessments, Environmental Research: Climate 2, 3
  5. ↑ Jenkins, S., R. Grainger, A. Povey, A. Gettelman et al. (2022): Is Anthropogenic Global Warming Accelerating?, J. Climate, 1–43
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Wang, P., Y. Yang, D. Xue et al. (2023): Aerosols overtake greenhouse gases causing a warmer climate and more weather extremes toward carbon neutrality. Nat Commun 14, 7257
  7. ↑ 7,0 7,1 IPCC AR6 WGI (2021): Water Cycle Changes, 8.3.2.4.3
  8. ↑ Yang, Y., L. Ren, M. Wu et al. (2022): Abrupt emissions reductions during COVID-19 contributed to record summer rainfall in China. Nat. Commun. 13, 959
  9. ↑ Ren, L, Y. Yang, H. Wang et al. (2022): Widespread wildfires over the western United States in 2020 linked to emissions reductions during COVID‐19. Geophys. Res. Lett. 49, e2022GL099308
  10. ↑ 10,0 10,1 Zhao, A., Bollasina, M. A., & Stevenson, D. S. (2019): Strong influence of aerosol reductions on future heatwaves. Geophysical Research Letters, 46, 4913–4923
  11. ↑ Persad, G.G., C. Cummins and J.W. Baldwin (2025): Anthropogenic aerosol changes disproportionately impact the evolution of global heatwave hazard and exposure, Environmental Research Letters 20, 8
  12. ↑ Péré, J.C., M. Mallet, V. Pont and B. Bessagnet (2011): Impact of aerosol direct radiative forcing on the radiative budget, surface heat fluxes and atmospheric dynamics during the heat wave of summer 2003 over Western Europe: a modeling study J. Geophys. Res. Atmos. 116 2011
  13. ↑ 13,0 13,1 Wei, J., W. Wang, A.J. Teuling et al. (2025): Reduced anthropogenic aerosols reveal increased heatwaves driven by climate warming. Earth's Future, 13, e2025EF006516
  14. ↑ Barriopedro, D., R. García-Herrera, C. Ordóñez et al. (2023): Heat waves: Physical understanding and scientific challenges. Reviews of Geophysics 61, e2022RG000780
  15. ↑ Charney, J. G. (1975). The dynamics of deserts and droughts. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 101, 193–202
  16. ↑ Herman, R.J., A. Giannini, M. Biasutti et al. (2020): The effects of anthropogenic and volcanic aerosols and greenhouse gases on twentieth century Sahel precipitation. Sci Rep 10, 12203
  17. ↑ Guo, J., X. Xie, G. Myhre et al. (2024): Increased Asian sulfate aerosol emissions remarkably enhance Sahel summer precipitation. Earth's Future, 12, e2024EF004745
  18. ↑ Li, C., C. McLinden, V. Fioletov et al. (2017): India Is Overtaking China as the World’s Largest Emitter of Anthropogenic Sulfur Dioxide. Sci Rep 7, 14304
  19. ↑ Xiang, B., Xie, SP., Kang, S.M. et al. (2023): An emerging Asian aerosol dipole pattern reshapes the Asian summer monsoon and exacerbates northern hemisphere warming. npj Clim Atmos Sci 6, 77
  20. ↑ IPCC AR6 WGI (2021): Water Cycle Changes, 8.3.2.4: Monsoons
  21. ↑ Lang, Y., J. Zhang, J. Zhao et al. (2025): Mechanisms and quantification: How anthropogenic aerosols weaken the East Asian summer monsoon. npj Clim Atmos Sci 8, 13
  22. ↑ Zhang, L., P. Wu and T. Zhou (2017): Aerosol forcing of extreme summer drought over North China, Environmental Research Letters 12, 3
  23. ↑ Fan, C., G. de Leeuw, X. Yan et al. (2025): Evolution of aerosol optical depth over China in 2010–2024: increasing importance of meteorological influences, Atmos. Chem. Phys., 25, 11951–11973
  24. ↑ Fang, C., J.M. Haywood, J. Liang ete al. (2023): Impacts of reducing scattering and absorbing aerosols on the temporal extent and intensity of South Asian summer monsoon and East Asian summer monsoon, Atmos. Chem. Phys., 23, 8341–8368
  25. ↑ Murakami, H., T.L. Delworth, W.F. Cooke et al. (2020): Detected climatic change in global distribution of tropical cyclones. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(20), 10706–10714
  26. ↑ Dunstone, N.J., D.M. Smith, B.B.B. Booth et al.(2013): Anthropogenic aerosol forcing of Atlantic tropical storms. Nat. Geosci. 6, 534–539
  27. ↑ 27,0 27,1 Camargo, S.J., H. Murakami, N. Bloemendaal et al. (2023): An Update on the Influence of Natural Climate Variability and Anthropogenic Climate Change on Tropical Cyclones, Tropical Cyclone Research and Review
  28. ↑ 28,0 28,1 Knutson, T., S.J. Camargo, J.C.L. Chan, et al. (2019): Tropical cyclones and climate change assessment: Part I. Detection and attribution. BAMS 100, 1987–2007
  29. ↑ 29,0 29,1 Murakami, H. (2022): Substantial global influence of anthropogenic aerosols on tropical cyclones over the past 40 years. Sci. Adv., 8, eabn9493


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