18.09.2025

Die komplexe Rolle der Aerosole

Atmosphärenüberwachung ist so schwierig wie wichtig. Regina Hitzenberger führt in das Titelthema der neuen Ausgabe der „Physik in unserer Zeit“ ein.

Regina Hitzenberger

Atmosphärenüberwachung ist ein sehr vielschichtiges Thema. Weltweit arbeiten Forschende daran, unser Wissen über die Atmosphäre zu vertiefen, die komplexen Prozesse in der Atmosphäre und die Wechselwirkungen zwischen Atmo-, Hydro-, Bio- und Geosphäre immer besser zu verstehen, und den Einfluss menschlicher Aktivitäten auf das globale Klima zu prognostizieren.

Die negativen Gesundheitseffekte von Luftschadstoffen sind schon lange bekannt. Der Fokus gesetzlicher Maßnahmen liegt dabei vor allem auf anthropogenen Substanzen wie Feinstaub, Ruß und gasförmigen Schadstoffen, die weltweit in Messnetzen überwacht werden. Zur Erforschung von Prozessen im globalen Klimasystem reichen diese jedoch bei Weitem nicht aus.

Der Einfluss unserer Aktivitäten auf die Atmosphäre und das globale Klima ist erst seit relativ kurzer Zeit allgemeines Thema. Dazu zählt sowohl der direkte Einfluss durch Emissionen aus der Industrie, der Mobilität und der Verbrennung von fossilen und auch nicht fossilen Brennstoffen, wie auch der indirekte Einfluss durch die dadurch bedingten Änderungen im System Atmosphäre mit seinen komplexen Wechselwirkungen und Rückkopplungen auch mit den anderen Sphären.

Die letzten gut drei Jahrzehnte sahen einen enormen Fortschritt einerseits im Wissen über die physikalischen und chemischen Prozesse, Wechselwirkungen und Rückkopplungen in der Atmosphäre und andererseits in der Entwicklung immer umfassenderer Computermodelle, die diese komplexen Zusammenhänge mit immer höherer räumlicher Auflösung darstellen. Während die ersten Modelle vor allem den Einfluss der anthropogenen Kohlendioxid-Emissionen auf das globale Klima berechneten, ist mittlerweile auch der Einfluss von Aerosolen auf die globale Strahlungsbilanz Bestandteil der Modelle. Allerdings ist das Wissen über die Rolle von Aerosolen im Klimasystem noch mit großen Unsicherheiten behaftet – ein Grund, gerade diese Rolle intensiver zu erforschen.

Alle Modelle benötigen präzise Daten einer Fülle von Parametern, und das möglichst von der Mikroskala – etwa für Wolkenbildung – bis hin zur globalen Skala. Und hier liegt der Fokus des „Spezials“ in dieser Ausgabe. Der Bereich um die Tropopause hat große Bedeutung für atmosphärische Prozesse. Die meisten Daten über atmosphärische Spurengase und Aerosole stammen jedoch entweder von Stationen auf der Erdoberfläche oder von Satelliten. Im Raum dazwischen liefern aufwändige Messkampagnen mit Forschungsflugzeugen oder Ballonen Daten, die aber räumlich und zeitlich stark beschränkt sind.

Das Programm IAGOS, in der neuen „Physik in unserer Zeit“ beschrieben von Andreas Petzold und Kollegen, schließt diese Lücke. Auf die Idee, Passagierflugzeuge als Forschungsplattformen zu verwenden, muss man erst einmal kommen, und sie dann noch umzusetzen, ist eine riesige Herausforderung. Das IAGOS-Projekt hat diese Herausforderung gemeistert und liefert Daten über Spurenstoffe gerade in Bereichen rund um die Tropopause über Gegenden der Erde, in denen Daten sehr spärlich vorhanden sind.

Atmosphärische Aerosole, also winzige Partikel im luftgetragenen Zustand, spielen eine wichtige Rolle. Sie haben meist eine schlechte Presse – siehe „Feinstaub“, Staub, Ruß, etc. Andererseits: ohne Aerosole keine Wolken, kein Niederschlag und wohl auch kein Leben auf der Erde, wie wir es kennen. Je nach Größe und chemischer Zusammensetzung fungieren manche Partikel bei geeignetem Wasserdampfgehalt der Luft als Kondensationskerne zur Bildung von Wasser- oder Eiswolken.

Auch in der saubersten Luft sind immer bis zu ein paar 100 Partikel pro Kubikzentimeter vorhanden, und in verschmutzten Gegenden können die Konzentrationen bis weit über 1000000 pro Kubikzentimeter ansteigen. Anthropogene Aerosole liefern zusätzliche Wolkenkondensationskerne und beeinflussen somit die Bildung von Wolken, ihr Lichtstreuvermögen, ihren Einfluss auf die Strahlungsbilanz und in Folge auf das globale Klima. Diesem Thema widmen sich Johannes Quaas und Mira Pöhlker im neuen Heft.

Der Beitrag menschlicher Aktivitäten zu atmosphärischen Aerosolen und Spurengasen ist einem ständigen Wandel unterworfen. Die weitere intensive Erforschung und Überwachung der Atmosphäre ist daher notwendig und bleibt spannend.