27.11.2023

Je nasser, desto aktiver

Klimawirkung von Aerosolpartikeln folgt einfacher Formel.

Wie stark Aerosolpartikel das Klima beeinflussen, hängt davon ab, wieviel Wasser die Partikel in der Atmosphäre aufnehmen können. Diese Hygroskopizität hängt wiederum von weiteren Faktoren ab – insbesondere von der Größe und chemischen Zusammensetzung der Partikel, welche hoch variabel und komplex sein kann. Durch umfangreiche Untersuchungen konnte ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (Tropos) den Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung und Wasseraufnahme von Aerosolpartikeln auf eine einfache lineare Formel reduzieren. Sie zeigten, dass die Hygroskopizität global gemittelt im Wesentlichen durch den Anteil organischer und anorganischer Stoffe an der Aerosolzusammensetzung bestimmt wird.

Abb.: Durch die Auswertung von Langzeitmessdaten wie beispielsweise von der...
Abb.: Durch die Auswertung von Langzeitmessdaten wie beispielsweise von der ATTO Forschungsstation im brasilianischen Regenwald ließ sich ein komplexer Zusammenhang auf eine einfache Formel reduzieren.
Quelle: D. Jack, MPIC

Die Hygroskopizität von Aerosol­partikeln ist ein wichtiger Faktor für den Effekt von Aerosol­partikeln auf das Klima und somit auch für die Vorhersage von Klimaänderungen durch globale Klimamodelle. „Die Wasseraufnahme hängt von der Zusammen­setzung der Aerosolpartikel ab, die in der Atmosphäre stark variieren kann. Wir konnten jedoch zeigen, dass man für die Berücksichtigung der Hygroskopizität in Klimamodellen vereinfachte Annahmen treffen kann“, sagt Mira Pöhlker. Sie leitet am Tropos die Abteilung „Atmosphärische Mikrophysik“. Dies sei die erste Studie, die anhand von Messergebnissen aus der ganzen Welt zeige, dass eine einfache lineare Formel verwendet werden kann, ohne große Unsicherheit in Klimamodelle zu bringen, resümiert die Aerosol- und Wolkenforscherin.

Dazu wertete das Team um Mira Pöhlker Daten aus sechszehn Messkampagnen zwischen 2004 und 2020 aus, bei denen die Hygroskopizität mittels Wolken­kondensations­keimmessungen und die chemische Zusammensatzung der Partikel mittels Aerosol-Massenspektrometrie (AMS) bestimmt wurde. Diese umfangreichen Daten deckten verschiedenste Regionen und Klimazonen der Erde ab: vom tropischen Regenwald am Amazonas über Großstadt­regionen mit starker Luft­verschmutzung in Asien bis hin zum borealen Nadelwald am Polarkreis in Europa. Die Auswertung dieser Datensätze ergab: Die effektive Aerosol-Hygroskopizität (κ) kann aus den Massenanteilen organischer Stoffe und anorganischer Ionen durch eine einfache, lineare Formel abgeleitet werden. „Trotz der chemischen Komplexität der organischen Materie wird ihre Hygro­skopizität durch die einfache Formel gut erfasst“, erläutert Christopher Pöhlker, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie. 

Um die neue Formel zu testen, nutzten die Forschenden das globale Aerosol-Klimamodell ECHAM-HAM. „Wir konnten in unserer Studie experimentell zeigen, dass an dieser Stelle vereinfachte Annahmen getroffen werden können, ohne große Unsicher­heiten in den Modellergebnissen zu verursachen. Dadurch werden Untersuchungen und Vorhersagen zum Klimawandel zuverlässiger“, sagt Mira Pöhlker. „Ermöglicht wurde unsere Studie durch Mess­kampagnen mit internationalen Partnern an verschiedensten Standorten weltweit sowie durch langfristige Beobachtungen an besonderen Forschungs­stationen wie beispielsweise dem ATTO-Observatorium im brasi­lianischen Regenwald“, sagt Christopher Pöhlker.

Die Wechselwirkungen atmosphärischer Aerosole mit Sonnen­strahlung und Wolken sind nach wie vor nur unzureichend verstanden und zählen zu den größten Unsicherheiten in der Modell­beschreibung und Vorhersage von Klimaänderungen. Ein Grund dafür sind viele offene Fragen um die Wasser­aufnahme der Aerosol­partikel. Je nach Größe und chemischer Zusammensetzung können die winzigen Aerosol­partikel unter­schiedlich viel Wasser aufnehmen. Dies ist wichtig sowohl für die Streuung von Sonnen­strahlung an den Aerosol­partikeln selbst, als auch für die Bildung von Wolkentropfen. Partikel, die mehr Wasser aufnehmen, streuen mehr Sonnenlicht zurück in das Weltall und können auch durch die Bildung von mehr Wolken­tropfen kühlend wirken.

Tropos / JOL

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