Strahlungsantrieb von Aerosolen: Unterschied zwischen den Versionen

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Die Wirkung der anthropogenen [[Treibhausgase]] wie [[Kohlendioxid]], [[Methan]] oder Lachgas auf den [[Strahlungshaushalt der Atmosphäre]] ist seit langem bekannt und seit Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung. Dass auch die durch menschliche Aktivitäten erzeugten [[Aerosole]] das Klima beeinflussen, hat erst seit den 1990er Jahren genügend Beachtung gefunden. Die Kenntnis über die klimatische Rolle der Aerosole ist vor allem wegen der komplizierten Materie auch heute noch mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Die meisten Treibhausgase haben eine lange atmosphärische Verweilzeit, die bis zu 100 Jahre und mehr betragen kann, und sind daher in der Atmosphäre gut durchmischt. Aerosole sind dagegen wegen ihrer kurzen Lebensdauer regional sehr unterschiedlich verteilt. Das lokale und regionale Wetter kann die horizontale und vertikale Verteilung wie auch die Mischungsverhältnisse der Aerosole rasch wandeln. Chemische Prozesse sorgen zudem dafür, dass die einzelnen Aerosole in kürzester Zeit auch ihre Eigenschaften stark verändern können. Die klimatische Wirkung der Aerosole ist entsprechend komplex und quantitativ äußerst schwierig zu erfassen.
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Die Wirkung der anthropogenen [[Treibhausgase]] wie [[Kohlendioxid]], [[Methan]] oder [[Lachgas]] auf den [[Strahlungshaushalt der Atmosphäre]] ist seit langem bekannt und seit Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung. Dass auch die durch menschliche Aktivitäten erzeugten [[Aerosole]] das Klima beeinflussen, hat erst seit den 1990er Jahren genügend Beachtung gefunden. Die Kenntnis über die klimatische Rolle der Aerosole ist vor allem wegen der komplizierten Materie auch heute noch mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Die meisten Treibhausgase haben eine lange atmosphärische Verweilzeit, die bis zu 100 Jahre und mehr betragen kann, und sind daher in der Atmosphäre gut durchmischt. Aerosole sind dagegen wegen ihrer kurzen Lebensdauer regional sehr unterschiedlich verteilt. Das lokale und regionale Wetter kann die horizontale und vertikale Verteilung wie auch die Mischungsverhältnisse der Aerosole rasch wandeln. Chemische Prozesse sorgen zudem dafür, dass die einzelnen Aerosole in kürzester Zeit auch ihre Eigenschaften stark verändern können. Die klimatische Wirkung der Aerosole ist entsprechend komplex und quantitativ äußerst schwierig zu erfassen.
  
 
Grundsätzlich werden ein direkter und ein indirekter Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt und das Klima unterschieden. Die '''direkte Wirkung''' der Aerosole auf den Strahlungshaushalt (der direkte [[Strahlungsantrieb]] der Aerosole) besteht erstens darin, dass einige Aerosole wie vor allem die Sulfat-Aerosole, die solare Strahlung teilweise zurück in den Weltraum reflektieren und klimatisch daher eine abkühlende Wirkung besitzen. Zum direkten Einfluss gehört zweitens aber auch, dass einige andere Aerosole, vor allem Rußpartikel, solare Strahlung absorbieren, wodurch die umgebende Atmosphäre erwärmt, die bodennahen Luftschichten aber abgekühlt werden. Die '''indirekte Wirkung''' resultiert aus dem Einfluss der Aerosole auf die Wolkenbildung und den Niederschlag. Dieser Einfluss besteht darin, dass Aerosole die für die Bildung von Tröpfchen und Eiskristallen nötigen Kondensations- bzw. Eiskerne stellen. Die klimatische Wirkung des indirekten [[Strahlungsantrieb]]s ist wahrscheinlich ebenfalls negativ bzw. abkühlend, wobei die Unsicherheiten des Kenntnisstandes hier noch größer als bei der direkten Wirkung sind. Hinzu kommt noch ein '''semidirekter Effekt''', der dadurch entsteht, dass Rußpartikel durch Absorption von Solarstrahlung eine Wolkenauflösung und damit eine größere Durchlässigkeit der Atmosphäre für die Sonneneinstrahlung bewirken können.
 
Grundsätzlich werden ein direkter und ein indirekter Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt und das Klima unterschieden. Die '''direkte Wirkung''' der Aerosole auf den Strahlungshaushalt (der direkte [[Strahlungsantrieb]] der Aerosole) besteht erstens darin, dass einige Aerosole wie vor allem die Sulfat-Aerosole, die solare Strahlung teilweise zurück in den Weltraum reflektieren und klimatisch daher eine abkühlende Wirkung besitzen. Zum direkten Einfluss gehört zweitens aber auch, dass einige andere Aerosole, vor allem Rußpartikel, solare Strahlung absorbieren, wodurch die umgebende Atmosphäre erwärmt, die bodennahen Luftschichten aber abgekühlt werden. Die '''indirekte Wirkung''' resultiert aus dem Einfluss der Aerosole auf die Wolkenbildung und den Niederschlag. Dieser Einfluss besteht darin, dass Aerosole die für die Bildung von Tröpfchen und Eiskristallen nötigen Kondensations- bzw. Eiskerne stellen. Die klimatische Wirkung des indirekten [[Strahlungsantrieb]]s ist wahrscheinlich ebenfalls negativ bzw. abkühlend, wobei die Unsicherheiten des Kenntnisstandes hier noch größer als bei der direkten Wirkung sind. Hinzu kommt noch ein '''semidirekter Effekt''', der dadurch entsteht, dass Rußpartikel durch Absorption von Solarstrahlung eine Wolkenauflösung und damit eine größere Durchlässigkeit der Atmosphäre für die Sonneneinstrahlung bewirken können.

Version vom 19. Juli 2008, 09:54 Uhr

Die direkte Klimawirkung der Aerosole

1 Überblick

Die Wirkung der anthropogenen Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan oder Lachgas auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre ist seit langem bekannt und seit Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung. Dass auch die durch menschliche Aktivitäten erzeugten Aerosole das Klima beeinflussen, hat erst seit den 1990er Jahren genügend Beachtung gefunden. Die Kenntnis über die klimatische Rolle der Aerosole ist vor allem wegen der komplizierten Materie auch heute noch mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Die meisten Treibhausgase haben eine lange atmosphärische Verweilzeit, die bis zu 100 Jahre und mehr betragen kann, und sind daher in der Atmosphäre gut durchmischt. Aerosole sind dagegen wegen ihrer kurzen Lebensdauer regional sehr unterschiedlich verteilt. Das lokale und regionale Wetter kann die horizontale und vertikale Verteilung wie auch die Mischungsverhältnisse der Aerosole rasch wandeln. Chemische Prozesse sorgen zudem dafür, dass die einzelnen Aerosole in kürzester Zeit auch ihre Eigenschaften stark verändern können. Die klimatische Wirkung der Aerosole ist entsprechend komplex und quantitativ äußerst schwierig zu erfassen.

Grundsätzlich werden ein direkter und ein indirekter Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt und das Klima unterschieden. Die direkte Wirkung der Aerosole auf den Strahlungshaushalt (der direkte Strahlungsantrieb der Aerosole) besteht erstens darin, dass einige Aerosole wie vor allem die Sulfat-Aerosole, die solare Strahlung teilweise zurück in den Weltraum reflektieren und klimatisch daher eine abkühlende Wirkung besitzen. Zum direkten Einfluss gehört zweitens aber auch, dass einige andere Aerosole, vor allem Rußpartikel, solare Strahlung absorbieren, wodurch die umgebende Atmosphäre erwärmt, die bodennahen Luftschichten aber abgekühlt werden. Die indirekte Wirkung resultiert aus dem Einfluss der Aerosole auf die Wolkenbildung und den Niederschlag. Dieser Einfluss besteht darin, dass Aerosole die für die Bildung von Tröpfchen und Eiskristallen nötigen Kondensations- bzw. Eiskerne stellen. Die klimatische Wirkung des indirekten Strahlungsantriebs ist wahrscheinlich ebenfalls negativ bzw. abkühlend, wobei die Unsicherheiten des Kenntnisstandes hier noch größer als bei der direkten Wirkung sind. Hinzu kommt noch ein semidirekter Effekt, der dadurch entsteht, dass Rußpartikel durch Absorption von Solarstrahlung eine Wolkenauflösung und damit eine größere Durchlässigkeit der Atmosphäre für die Sonneneinstrahlung bewirken können.

Name

unmittelbare Wirkung

Wirkung an der Obergrenze der Atmosphäre

Wirkung in der bodennahen Luftschicht

Direkter Effekt

Reflexion z.T. Absorption

Abkühlung z.T. Erwärmung

Abkühlung

Indirekter Effekt

Wasser-Wolkenbildung
Eis- oder Mischwolken

Abkühlung z.T. Erwärmung

Abkühlung z.T. Erwärmung

Semidirekter Effekt

Absorption und Wolkenauflösung

Erwärmung

Erwärmung

2 Der direkte Strahlungsantrieb

Der Strahlungsantrieb von Aerosolen wird im allgemeinen durch den Unterschied zwischen dem vorindustriellen Zustand und dem gegenwärtigen bestimmt und in der Regel auf die Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre bezogen. Schätzungen der direkten Wirkung von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt zeigen eine relativ große Bandbreite und beruhen weitgehend auf Modellstudien, die nicht nur für die vorindustrielle Zeit, sondern auch für die Gegenwart schwer zu verifizieren sind. Die Unsicherheiten beruhen zum einen darauf, dass selbst der aktuelle atmosphärische Gehalt einzelner Aerosolarten nicht genau feststeht, zum anderen darauf, dass die Größenverteilung, die chemische Zusammensetzung, die Mischung und die horizontale und vertikale Verteilung der Aerosole nicht genau erfasst werden können.

3 Reflexion durch Aerosole

Die direkte Strahlungswirkung von Sulfat-Aerosolen für das Jahr 1990 gegenüber 1850

Die Reflexion von Sonnenstrahlen durch Aerosole führt dazu, dass die globale Albedo verstärkt und somit die Atmosphäre abgekühlt wird. Aerosole sind damit die Gegenspieler der natürlichen wie anthropogenen Treibhausgase. Während diese die kurzwellige Solarstrahlung weitgehend Richtung Erdoberfläche passieren lassen, die langwellige Wärmestrahlung aber zu einem bedeutenden Teil absorbieren, reflektieren und absorbieren die meisten Aerosole die Sonnenstrahlung und lassen die Wärmestrahlung weitgehend durch. Der IPCC schätzt die direkte Störung der Strahlungsbilanz bzw. den Strahlungsantrieb an der Obergrenze der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung auf -0,4 W/m2 für Sulfat-Aerosole, auf -0,15 W/m2 für organische Aerosole aus der Biomassenverbrennung und auf -0,05 W/m2 für organische Aerosole aus der Nutzung fossiler Energieträger.[1] D. h. dass aufgrund der Reflexion von Sonnenstrahlung durch die genannten Aerosole die Atmosphäre 0,6 W/m2 weniger Wärmestrahlung an den Weltraum abgibt, da sie entsprechend weniger Solarenergie aufnehmen konnte. Einige andere Autoren geben etwas höhere Werte an und betonen zusätzlich die Wirkung von Nitrat-Aerosolen, die bis zum Ende des 21. Jahrhunderts möglicherweise die Wirkung der Sulfat-Aerosole übertreffen könnte.[2] Der Strahlungsantrieb durch langlebige anthropogene Treibhausgase wird dagegen auf +2,43 W/m2 veranschlagt. Insgesamt schwächt der direkte Aerosol-Effekt den anthropogenen Treibhausgas-Effekt um 20-50%.[3]

4 Absorption durch Aerosole

Die direkte Störung der Strahlungsbilanz durch anthropogene Aerosole an der Obergrenze der Atmosphäre und am Boden.

Einige Aerosole wie vor allem Ruß reflektieren jedoch nicht nur Strahlung, sondern absorbieren sie auch. Im Unterschied zu den Treibhausgasen absorbieren sie nicht die langwellige Wärmestrahlung, sondern fast ausschließlich die kurzwelligen Sonnenstrahlen. Dabei wird auch die aufwärts gerichtete solare Strahlung, die vom Erdboden und von Wolken reflektiert wird, absorbiert, wodurch die in den Weltraum zurückgestreute Sonnenstrahlung verringert wird. In der Summe wird durch Ruß die Strahlungsbilanz an der Obergrenze der Atmosphäre wahrscheinlich positiv beeinflusst und vom IPCC auf +0,19 W/m2 seit Beginn der Industrialisierung geschätzt.[4] Davon geht jedoch direkt kein positiver Einfluss auf die bodennahen Temperaturen aus. Die Absorption der einfallenden Sonnenstrahlung in der Atmosphäre führt in jedem Fall zu einer Verringerung der Einstrahlung und somit zu einer Abkühlung am Erdboden. Erwärmt wird lediglich die die Ruß-Aerosole umgebende Atmosphäre. So kann in stark aerosol-belasteten Gebieten die Strahlungswirkung in der Atmosphäre +10 W/m2 und mehr und die am Erdboden -10 W/m2 und mehr betragen.[5] Neben Ruß absorbieren auch andere organische Aerosole kurzwellige Strahlung, während Staub-Aerosole kurzwellige Strahlung reflektieren, langwellige aber absorbieren.

5 Gesamtbilanz

Nach einer neueren Modellrechnung[6] beträgt die Störung der Strahlungsbilanz an der Obergrenze der Atmosphäre durch die direkte Wirkung aller Aerosole -0,72 W/m2 und am Boden -4,04 W/m2. Der große Unterschied kommt hiernach vor allem durch Ruß-Aerosole zustande, deren Strahlungswirkung an der Obergrenze der Atmosphäre positiv ist (+0,58 W/m2), am Boden aber mit -0,97 W/m2 stark negativ. Eine ähnliche Wirkung (+0,1 bzw. -5,3 W/m2) haben aber auch Staub-Aerosole. Bei Sulfat- und Nitrat-Aerosolen ist die Wirkung dagegen am Erdboden und an der Atmosphären-Obergrenze nahezu gleich.

6 Regionale Unterschiede

Am stärksten ist die direkte Wirkung von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt auf der Nordhalbkugel, da sich hier die wichtigsten Emissionsgebiete befinden, und zeitlich im Nordsommer, da die Einstrahlung dann am höchsten ist. Regionale Schwerpunkte bilden die mittleren Breiten mit hohem Verbrauch fossiler Energien und die tropischen Gebiete mit hoher Biomassenverbrennung. Bei Sulfat-Aerosolen gibt es drei klare Schwerpunktregionen: das östliche Nordamerika, Mittel- und Osteuropa sowie Ostasien.

7 Einzelnachweise

  1. Daten nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.4.4
  2. Hansen, J.E., and M. Sato (2001): Trends of measured climate forcing agents, PNAS 98, 14778-14783; Adams, PJ., J.H. Seinfeld, D. Koch, L. Mickley, D. Jacob (2001): General circulation model assessment of direct radiative forcing by the sulfate-nitrate-ammonium-water inorganic aerosol system, J. Geophys. Res. 106 , 1097-1111
  3. Kaufman, Y.J., D. Tanré, and O. Boucher (2002): A satellite view of aerosols in the climate system, Nature 419, 215-223 16a. verändert nach Boucher, O., M. Pham (2002): History of sulfate aerosol radiative forcings, Geophysical Research Letters 29, No. 9, 10.1029/2001GL014048
  4. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 2.4.4.3
  5. Ramanathan, V. et al. (2001): Indian Ocean Experiment: An integrated analysis of the climate forcing and effects of the great Indo-Asian haze, J. Geophys. Res. 106 , 28371-28398
  6. Liao, H., J.H. Seinfeld, P.J. Adams, L.J. Mickley (2004): Global radiative forcing of coupled tropospheric ozone and aerosols in a unified general circulation model, Journal of Geophysical Research 109, No. D16207

8 Siehe auch

9 Weblinks


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