Aerosole

Aerosole sind klimatisch die Gegenspieler der Treibhausgase, da sie auf die bodennahen Luftschichten hauptsächlich abkühlend wirken. Sie entstehen wie Treibhausgase sowohl durch natürliche Vorgänge als auch durch menschliche Aktivitäten. Ursache können Vulkanausbrüche oder Wüstenstürme sein und ähnlich wie bei den Treibhausgasen die Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen. Aerosole besitzen jedoch eine völlig andere Wirkung auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Auf die langwellige Wärmestrahlung haben sie so gut wie keinen Einfluss. Sie reflektieren jedoch die Solarstrahlung und absorbieren sie z.T. auch. In der Diskussion um den durch den Menschen gemachten Treibhauseffekt und die künftige Klimaentwicklung spielen Aerosole eine wesentliche Rolle, da ohne sie der globale Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte wahrscheinlich deutlich höher ausgefallen wäre und auch die zukünftige Erwärmung merklich größer sein würde. Aerosole maskieren also den anthropogenen Klimawandel bis zu einem gewissen Grad. Neben ihrem Einfluss in der Atmosphäre können Aerosole auch das Reflexionsvermögen des Erdbodens beeinflussen. So setzen sich zum Beispiel aus Verbrennungsprozessen stammende Kohlenstoffpartikel („black carbon“) auf Schnee- und Eisoberflächen ab, absorbieren dort Sonnenlicht, erwärmen sich und führen dadurch zu einem Abschmelzen. Der dabei eventuell freigelegte Boden wiederum hätte ohne Rußteilchen ebenfalls ein geringeres Reflexionsvermögen. Allerdings ist der wissenschaftliche Kenntnisstand über Aerosole und ihre klimatischen Wirkung in vieler Hinsicht eher gering.

Größe von Aerosolen

Aerosol ist der Oberbegriff für jene dispersen Systeme (das sind: heterogene Gemische), deren äußere Phase (also: das Dispersionsmedium) gasförmig ist. (In der wörtlichen Übersetzung bedeutet "Aerosol" (altgriechisch "a-er" = "Luft"; lateinisch "solutus" = "aufgelöst") "Lösung in Luft" und meint eigentlich ein festes oder flüssiges Teilchen mit der es umgebenden Luft.) In der Meteorologie und Klimaforschung wird der Begriff "Aerosol" jedoch nur für das Teilchen selbst verwendet. Atmosphärische Aerosole sind demnach kleine, in der Luft schwebende Teilchen. Sie besitzen einen Durchmesser von etwa 1 nm (10^-9 m) bis mehr als 10 μm (10^-5 m) und sind damit mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen. Man unterscheidet nach der Größe:

• ultrafeine Partikel mit weniger als 0,1 μm Durchmesser,
• feine Partikel (auch als Akkumulationsmodus bezeichnet) mit 0,1-2,5 μm und
• grobe Partikel mit über 2,5 μm

Quellen und Umwandlungsprozesse

Aerosole können durch natürliche Vorgänge wie Wind oder Vulkanausbrüche oder durch menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung fossiler Energien in die Atmosphäre gelangen.

Die wichtigsten Aerosole sind Mineralstaub, Meersalz, Sulfat, Ruß und organische Verbindungen. Mineralstaub wird dabei meist durch den Wind aufgewirbelt, insbesondere in Wüstengebieten. Vor allem für den Niederschlag in höheren Breiten sind so genannte Tonmineralien wichtig, da sie als Eiskondensationskerne wirken und so den Niederschlag überhaupt erst ermöglichen. Meersalz gelangt ebenfalls durch natürliche Prozesse in die Atmosphäre: Immer wenn das Wasser vom Wind aufgewühlt wird, gelangen viele kleine Tropfen in die Luft und verdunsten dort, so dass die Salzteilchen übrig bleiben. Es wird aber nicht nur Wasser in die Luft gewirbelt, sondern kleine Luftbläschen gelangen ihrerseits ins Wasser und steigen dann an die Oberfläche auf. Dort bildet sich beim Kontakt mit der Oberfläche plötzlich eine Mulde, in deren Mitte das Wasser zurück schwappt und einen großen Tropfen nach oben schleudert. Diese "jet drops" sind ebenfalls eine wichtige Quelle für Meersalzaerosole.

Sulfataerosole entstehen dagegen erst in der Atmosphäre durch die Reaktion von Schwefeldioxid (SO₂) mit anderen Stoffen. SO₂ wird bei Verbrennungen wie z.B. Waldbränden oder industriellen Prozessen frei. Die Quellen sind also zum Teil natürlichen, zum Teil menschlichen Ursprungs. Zwar wurden die Schwefelemissionen in der westlichen Welt durch Luftreinhaltegesetze in den letzten Jahrzehnten deutlich gesenkt, in anderen Teilen der Welt wie z.B. China oder Südasien sind sie jedoch gestiegen. Auch Ruß ist ein Verbrennungsprodukt und stammt aus menschlichen und natürlichen Quellen, insbesondere aus Verbrennungen, die unvollständig ablaufen. Ein Teil des Kohlenstoffs wird daher nicht oxidiert und bildet zum Teil lange Ketten.

Aerosole kommen sowohl in der freien Atmosphäre als auch in Wolken vor und unterliegen hier weiteren Umwandlungsprozessen. Sie können koagulieren, d.h. mit anderen Partikeln größere Teilchen bilden, kondensieren, Kondensationskerne von Wolkentröpfchen oder Eiskristallen bilden, sich an Wassertröpfchen anlagern oder chemische Reaktionen durchlaufen. Ihre Zusammensetzung ist daher sehr komplex und variabel. Ein gealtertes Aerosol unterscheidet sich oft gravierend von frisch gebildeten Aerosolen. Besonders Aerosole im Akkumulationsmodus, die häufig aus Koagulation kleinerer Partikel entstanden sind, besitzen eine vom ursprünglichen Aerosol stark abweichende Zusammensetzung und Form. Aerosole können durch Auswaschung (nasse Deposition) oder trockene Ablagerung (trockene Deposition) wieder aus der Atmosphäre entfernt werden.

Die atmosphärische Lebensdauer von Aerosolen in Abhängigkeit vom Partikelradius (in μm) und der Höhe.

Verweilzeit in der Atmosphäre

Die atmosphärische Verweilzeit von Aerosolen hängt entscheidend von ihrer Größe ab. Die ultrafeinen Partikel koagulieren innerhalb weniger Stunden mit anderen Teilchen zu größeren Partikeln oder wachsen durch Kondensation. Die Lebensdauer der groben Partikel, vor allem der über 10 μm, beträgt nur Minuten oder Stunden bis einen Tag, da sie verhältnismäßig schnell sedimentieren. Aerosole im sogenannten Akkumulationsmodus besitzen die längste Aufenthaltsdauer in der Atmosphäre. Sie werden in erster Linie durch Niederschlag aus der Atmosphäre entfernt und besitzen im Mittel eine Verweilzeit von ca. einer Woche. Wenn diese Partikel in große Höhen gelangen, z.B. durch Flugzeugabgase oder Vulkanausbrüche bis in die Stratosphäre, ist ihre Lebensdauer allerdings deutlich länger und kann ein bis drei Jahre betragen. Partikel kleiner als 0,2 μm dominieren die Anzahldichte, Partikel mit einem Radius zwischen 0,05 und 1,0 μm die Aerosoloberfläche und damit auch die optischen Eigenschaften, und solche mit Radien zwischen 0,3 und 20 μm die Partikelmasse.

Siehe auch

• Primäre Aerosole
• Sekundäre Aerosole
• Strahlungsantrieb von Aerosolen
• Klimawirkung von Aerosolen
• Auswirkungen des Luftverkehrs
• Aerosolwirkung in Europa
• Aerosolwirkung in Asien

Weblinks

• Treibhausgase und Aerosole Informationen auf dem Hamburger Bildungsserver
• Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz (Presseinformation vom 04. 09. 2008): Dreck in Maßen macht mehr Regen - Ein internationales Wissenschaftlerteam fasst die gegenläufigen Wirkungen von Aerosolen auf den Niederschlag zusammen