Zukünftige Aerosolkonzentrationen

Künftige Aerosol-Abnahme

Um das Paris-Abkommen einer Begrenzung der globalen Mitteltemperatur auf höchstens 2 °C, möglichst sogar auf 1,5 °C, in diesem Jahrhundert einzuhalten, müssen vor allem die Treibhausgas-Emissionen drastisch reduziert werden. Erhebliche Auswirkungen auf das Klima haben aber auch die Emissionen anthropogener Aerosole, die mit darüber entscheiden, um wieviel die Treibhausgas-Emissionen reduziert werden müssen. Nach einer Modell-Berechnung von Larson & Portmann (2019) wäre bei ähnlich hohen Aerosol-Emissionen wie gegenwärtig bis 2040 eine Treibhausgas-Reduktion von 8% ausreichend, um auf dem Pfad des Paris-Abkommens zu bleiben. Bei einer starken Reduzierung der Aerosol-Emissionen müssten dagegen die Treibhausgas-Emissionen bis 2040 um 36% zurückgehen. Es ist davon auszugehen, dass dies das wahrscheinlichere Szenario ist. Allein in Indien starben 2017 1,2 Mio. Menschen durch Luftverschmutzung, an der Aerosole einen wesentlichen Anteil hatten; und nach Modell-Berechnungen würden durch eine deutliche Abnahme von Aerosol-Emissionen bis 2100 weltweit jährlich rund 2 Mio. Menschen weniger sterben. In den wichtigsten Zentren der Aerosol-Emission Europa, Nordamerika, Indien und Ostasien werden daher die Bemühungen, die Luftbelastung durch Aerosole zu verringern, weitergehen. In Indien werden die Aerosol-Emissionen allerdings bis Mitte des Jahrhunderts wahrscheinlich noch zunehmen, danach aber auch dort abnehmen. Die weitere Entwicklung in durch Industrialisierung neu hinzukommenden Emissionszentren wie Südostasien und Afrika ist weitgehend unklar.

Abb. 1: Reduktion von SO₂-Emissionen bis 2050 und 2100 im Vergleich zu 2020 in den Regionen der Erde nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1, übersetzt

Die Luftreinhaltepolitik ist jedoch nur der eine Antrieb der künftigen Aerosol-Belastung. Der andere ist die geplante Abnahme der Treibhausgasemissionen. Werden in den nächsten Jahrzehnten die fossilen zunehmend durch regenerative Energieträger ersetzt, ein Prozess, der gegenwärtig schon an Dynamik gewonnen hat, werden nicht nur weniger Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen, sondern auch weniger von den wichtigsten anthropogenen Aerosolen emittiert, nämlich den Sulfataerosolen. Weniger Treibhausgase werden zu einer Abkühlung der Atmosphäre beitragen, weniger Sulfataerosole eine Erwärmung bewirken, da dadurch direkt oder indirekt durch die Wolkenbildung (s.u.) eine geringere Menge an Sonneneinstrahlung gestreut wird. Der nach dem Paris-Abkommen in Gang gesetzte Klimaschutz wird also teilweise sein Gegenteil bewirken.

Mehr als 110 Staaten haben nach dem Paris-Abkommen von 2015 zugesagt, eine Treibhausgas-Neutralität bis zur Mitte des Jahrhunderts zu erreichen. Eine Treibhausgas-Neutralität würde aber auch dazu führen, die Aerosol-Emissionen grundlegend zu reduzieren, vor allem von Schwefeldioxid (SO₂), dem Vorläufergas der Sulfat-Aerosole. Relativ stark wird der Rückgang in Ostasien ausfallen, wo die aktuelle Sulfat-Konzentration am höchsten ist. Weltweit ist bis 2050 mit mehr als 50% und bis 2100 mit bis zu 90% Abnahme bei den Aerosol-Emissionen zu rechnen (s. Abb. 1).

Aerosol-Abnahme und Klimawirkung

Änderung des Strahlungsantriebs

Abb. 2: Links: SO2-Emissionen 1950 bis 2100 beobachtet und nach den Szenarien SSP1-1.9, SSP2-4.5 und SSP3-7.0; rechts: der globale Strahlungsantrieb durch anthropogene Aerosole von 1950 bis 2100, wobei 0,0 W/m² dem vorindustriellen Wert entspricht; verändert. Die Aerosol-Zunahme in den ersten 30 Jahren bis ca. 1980 sorgt für eine deutliche Abnahme des Strahlungsantriebs, d.h. der Sonneneinstrahlung, die anschließend bis 2010 auf einem niedrigen Niveau von -0,6 W/m2 stagniert. Bis 2100 nimmt der Strahlungsantrieb nach dem niedrigen Szenario SSP1-1.9 (kompatibel mit dem 1,5 °C-Ziel) deutlich zu und erreicht fast das vorindustrielle Niveau. Bei dem hohen Szenario SSP3-7.0 gibt es gegenüber der Gegenwart kaum eine Veränderung, während SSP2-4.5 ungefähr zwischen beiden Szenarien liegt.

Entscheidend werden die quantitativen Verhältnisse sein: Wie hoch wird die Erwärmung durch die Abnahme der Aerosole im Vergleich zur Abkühlung durch weniger Treibhausgase sein? Bei dem niedrigen Szenario SSP1-1.9 gehen vor allem die Emissionen von Schwefeldioxid (SO₂) schon bis 2040 global um 25% zurück. Bei dem hohen Szenario SSP3-7.0 nehmen die SO₂-Emissionen bis zur Mitte des Jahrhunderts zunächst geringfügig gegenüber 2015 zu, um dann bis zum Ende des Jahrhunderts um etwa denselben Betrag zu fallen (Abb. 2, links). Die Folge ist ein Rückgang der Aerosol-Belastung um 60% gegenüber dem Gegenwartsniveau nach dem SSP1-1.9-Szenario. Bei SSP3-7.0 nimmt die Sulfataerosol-Belastung bis zur Mitte des Jahrhunderts leicht zu und sinkt dann bis 2100 geringfügig auf das Niveau um 2015.

Abb. 3: Strahlungsantrieb durch die Abnahme von Aerosolen bis 2030 nach dem SSP-Szenario SSP1-1.9, verändert

Die starke Abnahme der Aerosol-Belastung der letzten Jahrzehnte wird nach dem niedrigen Szenario SSP1-1.9 (kompatibel mit dem 1,5 °C-Ziel) bis 2040 eine starke Zunahme der Sonneneinstrahlung zur Folge haben (Abb. 2, rechts), die bis 2100 in abgeschwächter Form weitergehen wird. Vom vorindustriellen Wert wird bei diesem Szenario am Ende des Jahrhunderts der globale Mittelwert mit -0,04 W/m² nur geringfügig abweichen. Bei dem hohen Szenario SSP3-7.0 wird sich der Einfluss der Aerosole auf die Solarstrahlung dagegen kaum von dem der Gegenwart unterscheiden und bei -0,55 W/m² gegenüber der vorindustriellen Zeit liegen. Bei beiden Szenarien ist der Strahlungsantrieb gegenüber der Gegenwart positiv, mit 0,51 W/m² bei dem Szenario SSP1-1.9 und mit 0,04 W/m² bei SSP3-7.0. Bei einer schnellen Abnahme der anthropogenen Aerosol-Emissionen werden nach Zukunftsszenarien in den kommenden zwei bis drei Jahrzehnten 30-50% der Erwärmung durch die abnehmende Aerosolo-Belastung hervorgerufen, regional eventuell sogar mehr. Modellstudien zeigen, dass durch die Bemühungen für eine saubere Luft bis 2055 global eine zusätzliche Erwärmung um 0,25 °C im Vergleich zu 2015 möglich ist. Bis 2010 hat die Luftreinhaltepolitik in den östlichen USA schon eine Erwärmung von 0,35 °C und in Europa von 0,45 °C bewirkt.

Der globale Mittelwert verdeckt allerdings erhebliche regionale Unterschiede (Abb. 3). Bei dem Szenario SSP1-1.9, bei dem ein radikaler Rückgang der Nutzung fossiler Energieträger angenommen wird, nimmt der Strahlungsantrieb zwischen 2015 und 2030 fast überall zu, im globalen Mittel um 0,33 W/m². Mit bis zu 2 W/m² ist der Antrieb besonders stark über Süd- und Ostasien, während er in Europa bei ca. 0,5 W/m² liegt. Bei dem hohen Treibhausgas-Szenario SSP3-7.0, nach dem die fossilen Energien weiterhin stark genutzt werden und die Aerosolemission insgesamt hoch bleibt, nimmt der Strahlungsantrieb bis 2030 über Indien dagegen um -0,5 bis -1,0 W/m² deutlich ab, während er über China leicht zunimmt.

Änderung der Temperatur

Abb. 4: Änderung der jährlichen Mitteltemperatur nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 bis 2050 durch den Rückgang nur der Treibhausgas-Konzentration (a) sowie bei zusätzlicher Abnahme der Aerosolemissionen (b) relativ zu 2020.

Welche Folgen hat der Rückgang sowohl der Treibhausgas- wie der Aerosolemissionen für die Temperatur? Wang et al. (2023) kommen in ihren Modellsimulationen zu dem Ergebnis, dass bei dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 die CO₂-Konzentration bis 2050 noch geringfügig auf 437 ppm steigen wird. Die Methan- und Ozon-Konzentration wird etwas abnehmen. Die Emissionen von SO₂ werden werden dagegen stark abnehmen, und zwar hauptsächlich in Ostasien, wo die aktuelle Sulfat-Konzentration am höchsten ist. Der Rückgang wird bis 2050 mehr als 50% und bis 2100 bis zu 90% betragen. Die geringe Zunahme der Treibhausgasemissionen (CO₂, CH₄, N₂O und CFC-12) alleine ändert bis 2050 die Temperaturverteilung auf der Erdoberfläche gegenüber 2020 nur sehr geringfügig (Abb. 4a). Maximal ist nach Modellsimulationen mit einer Zunahme von 0,2 °C auf Grönland zu rechnen. Dagegen haben die gleichzeitig abnehmenden Aerosolemissionen eine erhebliche Temperaturzunahme von bis zu 2 °C in mittleren bis hohen Breiten der Nordhalbkugel zur Folge (Abb. 4b). Nach Wang et al. (2023) werden selbst negative Emissionen bis 2100 nicht ausreichen, um diese durch abnehmende Aerosolemissionen bedingte Erwärmung zu kompensieren.

Abb. 5: Treibhausgase, Aerosole und Ozon als Verursacher der Änderung der regionalen Mitteltemperatur bis 2050 nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 relativ zu 2020

Abb. 5 zeigt deutlich, dass in sämtlichen Regionen der Erde die Abnahme der Emissionen von Aerosolen und ihrer Vorläufergase mit großem Abstand die Hauptursache der Temperaturveränderung bis 2050 sein wird. Das regionale Mittel liegt zwischen 0,5 °C in Australien und um fast 1,4 °C über Grönland, Ostasien und Nordasien. Ganz anders verhält es sich bei den Temperaturveränderungen bis 2050 nach dem Szenario SSP2-4.5. Hier ist die weitere Zunahme der Treibhausgase für ca. Zweidrittel der Erwärmung verantwortlich, während die Abnahme der Aerosole nur etwa halb so viel beiträgt.

Änderung der Niederschläge

Abb. 6: Änderung der Niederschläge nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 bis 2050 durch den Rückgang nur der THG-Konzentration (a) sowie bei zusätzlicher Abnahme der Aerosolemissionen (b)

Auch bei den Niederschlägen zeigt sich ein ähnliches Bild: Die Änderungen bis 2050 durch den Rückgang der Treibhausgasemissionen nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 (Abb. 6a) sind relativ gering im Vergleich zu den Änderungen bei einem zusätzlichen Rückgang der Aerosolemissionen (Abb. 6b). Im ersten Fall zeigen sich leichte Zunahmen hauptsächlich über dem westlichen tropischen Pazifik und leichte Abnahmen über dem östlichen tropischen Pazifik und nördlichen Indischen Ozean. Im zweiten Fall nehmen die Niederschläge deutlich über dem gesamten tropischen Gürtel und vor allem über Südostasien um bis zu 0,3 mm/Tag zu. Auch auf der gesamten Nordhalbkugel findet sich mit wenigen Ausnahmen eine, wenn auch geringere Zunahme. Die Erhöhung der Niederschläge durch weniger Aerosole ist damit zu erklären, dass bei einer geringen Aerosolbelastung der Atmosphäre bei der Kondensation von Wasserdampf eher größere Tropfen entstehen, die zu mehr Niederschlägen führen. Eine höhere Anzahl von Aerosolpartikeln, die als Kondensationskerne dienen, führt dagegen zur Entstehung von mehr kleineren Tröpfchen, die zu leicht sind, um als Regentropfen auszufällen (Abb. 8).

Änderung von Wetterextremen

Abb. 7: Änderung der Hitzewellentage pro Jahr nach dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 bis 2050 durch den Rückgang nur der Treibhausgas-Konzentration (a) sowie bei zusätzlicher Abnahme der Aerosolemissionen (b)

Wie Studien über Aerosolabnahmen in jüngster Zeit zeigen, hat die Reduktion der Aerosol-Emissionen nicht nur Folgen für das mittlere Klima, sondern auch für Extremereignisse. So wurden die Rekordniederschläge in China 2020 auf die abrupte Reduktion der Emission von Aerosolen während der Corona-Pandemie zurückgeführt. Ähnlich wurden auch die Erhöhung der Temperatur und die geringe Luftfeuchtigkeit, die 2020 zu starken Waldbränden in den westlichen USA geführt haben, teilweise durch die Abnahme von Aerosol-Emissionen erklärt. In jüngster Zeit wurde auch eine Beteiligung der Aerosolabnahme - in diesem Fall durch ein Abkommen zur Reduktion der Schwefeldioxid-Emissionen durch den Schiffsverkehr - an der ungewöhnlichen Erhöhung der Meeresoberflächentemperatur 2023 betont.

Nach den Simulationen von Wang et al. (2023) werden sich bei dem treibhausgasneutralen Szenario SSP1-1.9 auch die Wetterextreme zukünftig verändern. Durch eine starke Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis 2050 gibt es über dem größten Teil der Erde nur eine geringfügige Zunahme von weniger als 5 Hitzewellentage im Vergleich zu 2020 (Abb. 7a). Werden in den Modellrechnungen zusätzlich die Emissionen von Aerosolen und ihren Vorläuferstoffen berücksichtigt, steigt die Zahl der Hitzewellentage pro Jahr in zahlreichen Regionen auf 40 Tage und mehr (Abb. 7b).

Eine ähnliche Veränderung zeigen die Modellsimulationen für Starkniederschläge. An feuchten Tagen, an denen wenigstens 1 mm Niederschläge fallen, regnet bzw. schneit es über große Teile der Erde im Jahr weniger als um 2020, z.B. bis zu -20 mm und darunter über der Sahelzone, dem südlichen Südamerika, dem westlichen Australien und Ostasien, über Nordamerika und Südafrika dagegen mehr. Bei zusätzlicher Berücksichtigung der Aerosolabnahme nehmen die Niederschläge mit mehr als 40 mm/Jahr an feuchten Tagen über große Teile der Erde stark zu, besonders über Nordamerika, Süd- und Ostasien sowie Ostafrika.

Abb. 8: Veränderung von Wolken, Niederschlag und Strahlung durch Aerosole.

Die Rolle der Wolken

Projektionen über die klimatische Rolle der Aerosole in den nächsten Jahrzehnten sind jedoch mit verschiedenen Schwierigkeiten und Unsicherheiten verbunden. Vor allem ist die Reaktion von Wolken auf den erwarteten Rückgang der Aerosol-Belastung in den meisten Regionen und die fortgesetzte Zunahme in einigen anderen sehr schwierig von Klimamodellen zu berechnen. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Einschätzung der Anzahl der Wolkentröpfchen bei sich ändernden Aerosol-Konzentrationen dar, die von Klimamodellen schon für die Vergangenheit nicht zutreffend simuliert wurden. Jia & Quaas (2023) zeigen in einer neuen Untersuchung, dass zwischen Aerosol-Belastung und der Konzentration der Tröpfchen keine lineare Beziehung besteht. In relativ wenig belasteten Regionen nimmt zwar die Tröpfchen-Konzentration zu, wenn auch die Aerosol-Konzentration zunimmt. In Gebieten mit hoher Aerosol-Konzentration wie in den letzten 20 Jahren z.B. in Indien und Ost-China ändert sich die Tröpfchen-Zahl nur sehr verzögert oder gar nicht mit der Zu- oder Abnahme der Aerosol-Konzentration. Die als „Klima-Strafe“ bezeichnete zusätzliche Erwärmung durch die Aerosol-Abnahme könnte sich dadurch um 20-30 Jahre verzögern.

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Kontakt: Dieter Kasang