Primäre Aerosole

Aerosole werden entweder direkt in die Atmosphäre eingetragen (Primäraerosole) oder entstehen durch chemische Prozesse aus Vorläuferstoffen (Sekundäraerosole).

Direkte und indirekte Aerosole

Nach ihrer Entstehung lassen sich primäre und sekundäre Aerosole unterscheiden.

• Primäre Aerosolteilchen werden direkt als Partikel in die Atmosphäre eingetragen, z.B. Mineralstaub in Wüsten durch Wind, Seesalzaerosole aus dem Meer, biologische Teilchen oder Ruß aus Verbrennungsprozessen in Industriegebieten und tropischen Wäldern.

• Sekundäre Aerosole entstehen erst in der Atmosphäre durch chemische Umwandlung von gasförmigen Vorläufern, so die Sulfat-Aerosole aus Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung fossiler Energien emittiert wird.

Sowohl die direkte Emission von Aerosolen wie die Emission von Vorläuferstoffen und die Umwandlungsprozesse zu sekundären Aerosolen können durch natürliche wie menschliche Aktivitäten verursacht sein. Als Ergebnis können nicht nur Aerosole insgesamt, sondern auch einzelne Partikel sowohl natürliche wie anthropogene Anteile besitzen.

Obwohl es sehr schwierig ist, anthropogene von natürlichen Aerosolen genau zu unterscheiden, gibt es dennoch einige grobe Anhaltspunkte. Bei den anthropogenen Aerosolen dominieren eher die Sulfat- und Rußpartikel, bei den natürlichen Aerosolen die Salz- und Staubteilchen. Anthropogen beeinflusste Aerosole weisen daher meist kleinere Teilchenradien auf als das natürliche Aerosol. Ein zweites Kriterium ist die geographische Verbreitung. Anthropogene Aerosole finden sich hauptsächlich über stark besiedelten und industrialisierten Gebieten und in deren Leezonen (d.h. auf der windabgewandten Seite). Auch die zeitliche Korrelation zwischen der Aerosolverbreitung und jahreszeitlich schwankenden Waldbränden, Biomassenverbrennung und Verbrennungen von fossilen Energierohstoffen kann den anthropogenen Anteil der Aerosolkonzentration in der Atmosphäre erkennbar machen.

Staubaerosole

Die wichtigsten Quellen der Staub-Aerosole sind die Wüsten- und Trockengebiete der Erde. Durch anthropogene Zerstörung der Pflanzendecke kann die Staubemission verstärkt werden.

Mineralischer Staub gelangt vor allem in Wüstengebieten und ihren Randzonen durch Wind, der feine Partikel von typischerweise 0,1-100 μm vom Boden aufwirbelt, in die Atmosphäre. Die Staubproduktion in Wüstengebieten und ihre Ausbreitung ist grundsätzlich stark von den lokalen Wetterbedingungen wie Windstärke, Trockenheit bzw. Niederschlag abhängig. Diese Wetterbedingungen werden von großräumigen Klimaschwankungen wie dem El-Niño-Phänomen oder der Nordatlantischen Oszillation stark beeinflusst. Das mit Abstand größte Staubemissionsgebiet der Welt, Nordafrika, zeigte während der Sahel-Dürre von den 1970er bis in die 1980er Jahre eine deutlich erhöhte Staubproduktion, mit Spitzenwerten während der El-Niño-Jahre. Die feineren Staubanteile können in Höhen bis zu 5 km gelangen, von starken Winden erfasst werden und sich über interkontinentale Distanzen ausbreiten. So gelangt Sahara-Staub bis nach Europa und in die Karibik. Die 4500 km lange Strecke von der Westküste Afrikas bis in die Karibik legen die Staubwolken in ca. einer Woche zurück. Während der Saheldürre waren die Ablagerungen von Sahara-Staub auf der Insel Barbados in der Karibik siebenmal größer als vor 1966. Auch Staubpartikel aus Ostasien gelangen in Höhen von 3-5 km bis nach Nordamerika.

Nachdem frühere Schätzungen von bis zu 50% anthropogenen Staubaerosolen ausgegangen sind, ergaben jüngste Berechnungen, dass weniger als 10% der Staubaerosole durch landwirtschaftliche Tätigkeit und etwa eine gleiche Menge durch Waldvernichtung entstehen. Es ist aus vielen Gründen jedoch schwierig, natürliche und anthropogene Staubaerosole zu unterscheiden. Veränderungen der Bodenbedeckung können natürliche Gründe haben, z.B. klimatische Veränderungen, oder durch den Menschen verursacht sein. So gab es in dem kalten Klima des letzten glazialen Maximums deutlich mehr mineralischen Staub in der Atmosphäre als heute, wie Eisbohrkerne aus Grönland und der Antarktis belegen. Andererseits hat in jüngster Zeit die Beseitigung von Vegetation und die Bodenzerstörung in Trockengebieten durch den Menschen die Staubentstehung wieder stark erhöht. Auch der zunehmende Kraftfahrzeugverkehr durch Wüsten, durch den die obere Schicht der Wüstenböden aus Algen, Kiesel oder Flechten zerstört wird, soll für einen großen Teil der Staubemissionen verantwortlich sein. Gegen einen hohen anthropogenen Anteil bei der Staubentstehung in Trockengebieten spricht allerdings, dass die Masse des Staubes in Gebieten entsteht, die unbewohnt und weitgehend auch unbefahren sind und dass die Bodenzerstörung weitgehend auf Randgebiete der Wüsten begrenzt ist. Auch die Industrie ist für einen geringen Eintrag von Staub-Aerosolen in die Atmosphäre verantwortlich, der sich allerdings besonders in den entwickelten Industrieländern durch den Einbau von Filteranlagen und andere Maßnahmen in letzter Zeit deutlich verringert hat.

Die Emission der insgesamt vom Boden aufgewirbelten Staub-Aerosole wird auf 1000 bis 5000 Millionen Tonnen pro Jahr (Mt/a) geschätzt. Neuere Modellberechnungen kommen auf Werte zwischen 1000 und 2000 Mt/a und einen atmosphärischen Gesamtgehalt von 18,1 Mt, wovon 97% die Partikelgröße von 0,1-10 μm besitzen. Die trockene Sedimentation ist die Hauptursache für die Entfernung aus der Atmosphäre. Die atmosphärische Verweilzeit beträgt im Mittel 3,9 Tage, wobei die kleinsten Partikel eine Lebensdauer von ca. vier Wochen, die größeren von nur einigen Stunden besitzen. Vulkanausbrüche emittieren im Mittel ca. 33 Mt/a an Staubaerosolen, wobei es bei einzelnen starken Ausbrüchen sehr viel mehr sein kann. Die bei Vulkanausbrüchen in die Stratosphäre verbrachten Teilchen oder dort aus Vorläufergasen entstandenen verschwinden erst nach etwa 2 Jahren wieder aus der Stratosphäre.

Meersalzaerosole

Neben Trockengebieten und der Biosphäre ist das Meer eine wichtige Quelle primärer Aerosole. Durch Zerplatzen von Luftbläschen in der Gischt von Wellenkämmen entstehen Meersalzaerosole. Sie bestehen aus Kochsalz (NaCl) und Gips (CaSO4). Sie enthalten auch biologisches Material aus dem Meer. Die Teilchen sind 0,05 bis über 10 μm groß und schweben entsprechend sehr unterschiedlich lange in der Atmosphäre, im Mittel jedoch nicht länger als einen halben Tag. Der Eintrag vom Ozean in die Atmosphäre beträgt im heutigen Klima schätzungsweise 3300 Mt/a und liegt damit in der Größenordnung der Staubaerosole. Die kleineren Partikel können in größere Höhen gelangen und bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen, während die größeren Teilchen schnell wieder absinken. Die atmosphärische Konzentration von Salz-Aerosolen ist am höchsten über Ozeangebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten, d.h. besonders über den mittleren Breiten der Südhalbkugel.

Ruß entsteht zum einen durch bei der Verbrennung fossiler Energierohstoffe, zum anderen bei der Verbrennung von Biomasse. Entsprechend liegen die wichtigsten Gebiete der Rußemission in den Industrieländern und den tropischen Gebieten.

Biologische Teilchen, Organische Aerosole, Ruß

Eine weitere Gruppe primärer Aerosole sind die kohlenstoffhaltigen Aerosole, zu denen biologische und organische Kohlenstoffverbindungen und Ruß zählen. Zu den biologischen Teilchen zählen Mikroorganismen, Pollen, Bakterien, Viren und zelluläres anderes Material. Sie werden aktiv und passiv freigesetzt. Etwa beim Flug lüftet jeder Vogel sein Federkleid und zerfallende Blätter bringen totes zelluläres Material in die Atmosphäre. Solche biologischen Teilchen sind etwa 0,1 µm und größer. Sie machen wahrscheinlich etwa 25% der Aerosolmasse aus und daher ist ihre Quellstärke vergleichbar der von Wüsten und den Ozeanen.

Organische Teilchen entstehen hauptsächlich bei der unvollständigen Verbrennung von fossilen Energieträgern und Biomasse und sind weitgehend anthropogenen Ursprungs. Diese Aerosolteilchen sind in der Regel kleiner als 1 µm. Anthropogene organische Aerosole bestehen aus vielen chemisch komplexen Bestandteilen. Schätzungen über die globale Emission von organischen Kohlenstoff-Aerosolen aus der Biomassenverbrennung und der Verbrennung fossiler Energieträger gehen weit auseinander und bewegen sich zwischen 2 und 17 Mt/a. Bei der Verbrennung von Kohle, Mineralölen und Biomasse entstehen auch sehr kleine Rußpartikel in Mengen von ca. 8 Mt/a, wovon ca. ein Drittel aus der Biomassenverbrennung stammt. Ein Rußpartikel ist ein Agglomerat aus sehr kleinen Partikeln, die bei der Verbrennung z.B. von Dieselkraftstoff entstehen. Die Schwerpunkte der Verbreitung kohlenstoffhaltiger Aerosole liegen einerseits in den Tropen, den wichtigsten Zonen der Biomassenverbrennung, andererseits in den Industriegebieten der Nordhalbkugel, wo die meisten fossilen Energieträger verbrannt werden. Hier nimmt die Ruß-Emission besonders in den sich industrialisierenden Entwicklungsländern China und Indien stark zu, während sie in den entwickelten Industriestaaten wie Deutschland und den USA eher abnimmt.