Aerosole

Die Bedeutung von Aerosolen

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, Wüstenstürme, Seesalz vom Ozean, Biosphärenteilchen 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. Man unterscheidet zwischen einem direkten und einem indirekten Strahlungsantrieb von Aerosolen. 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 deutlich höher ausgefallen wäre und auch die zukünftige Erwärmung merklich größer sein würde. Aerosole könnten also den anthropogenen Klimawandel bis zu einem gewissen Grad maskieren. Neben ihrem Einfluss in der Atmosphäre können Aerosole auch das Reflexionsvermögen, die Albedo, 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. Aerosole haben auch einen Einfluss auf den hydrologischen Zyklus und damit die Niederschläge. Da sie Sonnenstrahlen abschirmen, verringern sie eine Erwärmung besonders der tropischen Ozeane. Dadurch kommt es hier weniger stark zur Verdunstung, was den Wasserdampfgehalt der tropischen Monsune verringert. So wird u.a. die Sahel-Dürre der 1970er und 1980er Jahre auf eine Abkühlung des tropischen Atlantik durch Aerosole zurückgeführt.

Obwohl Aerosole in klimatischer Hinsicht durch ihre abkühlende Wirkung eher positiv zu bewerten sind, ist man weltweit bemüht, die Emissionen anthropogener Aerosole zu reduzieren. Grund sind die gesundheitlichen Schäden, die mit einer starken Belastung der Luft durch Aerosole verbunden sind. So werden allein die aus der Verbrennung fossiler Energien stammenden Aerosole weltweit für den frühzeitigen Tod von jährlich 3,6 Mio. Menschen verantwortlich gemacht. In den 1970er und 1980er Jahren gab es die stärkste Luftbelastung in Nordamerika, Europa und Russland. Seitdem hat sich der Schwerpunkt der Aerosol-Belastung jedoch nach Asien, vor allem nach China und Indien, verlagert. Nur in Indien war die Luftverschmutzung 2017 für 1,2 Mio. Todesfälle verantwortlich.

Definition und Größe von Aerosolen

Arten von Aerosolen unter dem Elektronen-Mikroskop (von links nach rechts): vulkanische Asche, Pollen, Meersalz, Ruß.

Aerosole (altgriechisch "a-er" = "Luft") sind feste und/oder flüssige Teilchen, die in der Luft schweben. In einem Sol ist ein Stoff in einem Dispersionsmedium kolloidal, d.h. in frei beweglichen Teilchen, verteilt. Ist das Dispersionsmedium gasförmig, spricht man von Aerosol, bei Wasser von Hydrosol, bei anderen flüssigen Dispersionsmedien von Lyosol, bei organischen Dispersionsmedien von Organosol. Diese Definition schließt Wolken und Nebel ein. Es ist jedoch üblich, Wolken und Nebel und andere Wasserkondensate nicht zum atmosphärischen Aerosol zu zählen.

Die Teilchen besitzen einen Durchmesser von etwa 1 nm (10^-9 m) bis mehr als 100 μm (10^-4 m) und sind damit meist 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 Stoffe in die Atmosphäre gelangen.

Die wichtigsten Aerosole sind Mineralstaub, Meersalz, zelluläre (biologische) Teilchen, Ruß, organische Verbindungen und Sulfat. Mineralstaub wird dabei meist durch den Wind aufgewirbelt, insbesondere in Wüstengebieten. Vor allem für den Niederschlag in höheren Breiten sind so genannte Tonmineralien (aber wohl auch biologische Teilchen) wichtig, da sie als Eiskondensationskerne wirken und so den Niederschlag überhaupt erst ermöglichen. Meersalz gelangt ebenfalls durch natürliche Prozesse in die Atmosphäre: Durch aufsteigende und zerplatzende Bläschen gelangen viele kleine Tropfen in die Luft und verdunsten dort, so dass die Salzteilchen übrig bleiben.

Die Biosphäre bedeckt praktisch die gesamte Erdoberfläche. Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Sporen) und abgeriebene zelluläre Teilchen gelangen in die Luft. Ihre globale Quellstärke ist wahrscheinlich ebenso groß wie die der Wüsten und der Ozeane.

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.

Aerosolteilchen sind zwingend notwendig für den Kondensationsprozeß in der Atmosphäre. Aerosolteilchen 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. 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 größer als 0,3 μm die Partikelmasse.

Weblinks

• LAC (Labor für Atmosphärenchemie; Paul Scherrer Institut): Was sind Aerosole? (Wissenswerte Grundlageninfos)
• 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

Kontakt: Dieter Kasang