12.06.2009

Warum es regnet

Wie Aerosole das Wetter beeinflussen - darüber spricht Meinrat Andreae vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.

Am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz befasst sich Meinrat Andreae mit den Auswirkungen von Aerosolen. Dass die winzigen Schmutzpartikelchen das Klima beeinflussen, weiß man bereits - unklar war bisher jedoch wie. Im Interview erklärt der Mainzer Wissenschaftler, warum es so knifflig ist, diese Frage zu beantworten.

Abb.: Wissenschaftler Meinrat Andreae, Max-Planck-Institut für Chemie

(Bild: Max-Planck-Institut für Chemie)

Herr Professor Andreae, Sie befassen sich mit Auswirkungen von Aerosolen - den winzigen Schmutzpartikelchen, die von Autos, Kraftwerken und Heizungen in die Luft geblasen werden. Aerosole beeinflussen unser Klima - so viel ist schon klar - allerdings weiß man nicht genau wie. Wo liegt das Problem?

Andreae: Es hat vielleicht einfach damit zu tun, dass Aerosole aus vielen Komponenten bestehen. Da gibt es zum Beispiel schwarze Partikel, Rußpartikel, die sich ganz anders verhalten, als zum Beispiel farblose Partikel wie Sulfataerosole, Schwefelsäureteilchen, die aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen können. Das heißt: Aerosole können das Klima in vielfacher und zum Teil gegensätzlicher Weise beeinflussen. Die Aerosole fangen an, mit den Mechanismen, die den Niederschlag erzeugen - also all dem, was in den Wolken vor sich geht - zu wechselwirken, das heißt die Aerosole sind beteiligt bei der Bildung von Wolkentröpfchen, sie entscheiden mit darüber, ob aus Wolkentröpfchen Regentropfen werden.

Wie wollen Klimaforscher wie Sie damit eigentlich zu konkreten Vorhersagen kommen?

Andreae: Die einzige Weise, wie wir wirklich zu Vorhersagen kommen können, ist, dass wir diese ganzen komplexen und wechselwirkenden Prozesse verstehen lernen und dann das Verständnis dieser Wechselwirkungen in Klimamodelle, in Wolkenmodelle einbauen und daraus die Nettoauswirkungen zunehmender Aerosolbelastung abschätzen können.

Die Auswirkung von Aerosolen lässt sich also schwer berechnen - und dabei geht es nicht nur um den Unterschied, ob es nun schwarze oder farblose Partikelchen sind. Da spielen auch noch andere Eigenschaften eine größere Rolle - welche sind das?

Andreae: Die Aerosole sind wie gesagt nicht eine Art von Teilchen, sondern ein Gemisch von vielen Arten von Teilchen. Da gibt es zum Beispiel natürliche Aerosole wie den Wüstenstaub oder das Meersalzaerosol. Das sind oft große Teilchen, die wiederum ganz andere Wirkungen auf Wolken haben, als das, was wir hauptsächlich aus den Industrieemissionen erzeugen - also eher kleine Teilchen, die aber am Wesentlichsten beteiligt sind bei der Bildung von Wolkentröpfchen.

Diese kleinen Aerosolteilchen - etwa in der Größenordnung von 0,1 Mikrometer Durchmesser - sind die wichtigsten Teilchen bei der Bildung von Wolken. Die stellen die Wolkenkondensationskeime dar. Wenn wir einmal den Extremfall annehmen, wenn es eine Atmosphäre gäbe, die gar keine Aerosole enthielte, so könnte sich in dieser Atmosphäre niemals Regen bilden, weil Wasserdampf eigentlich nie aus der Gasphase kondensiert. Wenn es nun ganz wenige Aerosole gibt, dann muss der Wasserdampf, wenn er eine Wolke bildet, sich an diesen sehr wenigen Teilchen kondensieren - diese müssen deswegen auch relativ groß werden und fangen deswegen sehr schnell an, aus der Atmosphäre zu fallen, das heißt, es regnet sehr schnell und aus relativ wenigen großen Tropfen ab. Wenn wir nun eine Wolke, um beim anderen Extrem zu bleiben, mit sehr, sehr vielen Tropfen versorgen, dann müssen diese Tröpfchen, weil sie sich die Menge Wasser teilen müssen, sehr klein sein. Das Problem dabei ist, dass sich diese vielen kleinen Tröpfchen niemals zu dem relativ großen Regentropfen zusammenfinden können, der dann auch fällt. Diese Wolke kann nicht regnen. Und nun stellt es sich heraus, dass es gerade in dem Zwischenbereich, in dem mittleren Bereich zwischen sehr hohen und sehr niedrigen Konzentrationen, einen optimalen Bereich gibt, aus dem die Wolke das Maximum an Niederschlag und auch das Maximum an Energie beim Aufstieg der Wolke herausholen kann.

Aerosole können auch ohne Wolken das Klima beeinflussen - was passiert denn da?

Andreae: Wenn Aerosole sich in der Atmosphäre befinden, dann haben sie zunächst einmal einen ganz einfachen Effekt, der auch ohne Wolken passiert, nämlich, dass sie Licht, das von der Sonne auf die Erde einstrahlt, wieder in den Weltraum zurückstreuen, das heißt, es kommt weniger Energie an der Erdoberfläche an. Wenn weniger Energie an der Erdoberfläche ankommt, dann steht auch weniger Energie dazu zur Verfügung, Luft mit Auftrieb zu versorgen - also Wolken zu erzeugen. Die Existenz von Aerosolen in der Atmosphäre hat also einen Sonnenschirmeffekt, der die Bildung von Wolken verzögern oder verringern kann.

Zu diesem kommt nun der Effekt, dass, wenn eine Wolke zu viele Tröpfchen hat, also zu viele Aerosolteilchen da sind, die zur Bildung sehr vieler kleiner Tröpfchen führen, dass diese Wolke es auch schwer hat, Wolkentröpfchen zur Kollision miteinander zu bringen, die dann zur Bildung der relativ großen Regentropfen führt.

Ihr Institut hat sich mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg und dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena sowie dem Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung zur Partnerschaft Erdsystemforschung zusammengeschlossen. Alle diese Institute sind auch mit einem gemeinsamen Beitrag im Wissenschaftszug "Expedition Zukunft" vertreten. Warum gibt es diese Partnerschaft?

Andreae: Das Erdsystem ist zu groß, um an einem Institut alles erforschen zu können. Es geht beim Erdsystem um das Wechselwirken der menschlichen Komponente des Systems mit den natürlichen Komponenten - also den Vegetationen auf den Kontinenten, der Zirkulation der Vegetation in den Ozeanen, dem Eis auf der Erde - sowohl in Antarctica, in Grönland und den Gletschern. Es geht auch um die Atmosphäre, in der sich sowohl das, was wir als Klima bezeichnen, also die wetterbezogenen als auch viele chemische Prozesse abspielen. Alle diese Zusammenhänge sind viel zu groß und viel zu komplex, um sie mit den Mitteln eines Max-Planck-Instituts erforschen zu können.

Das Gespräch führte Birgit Fenzel

"Expedition Zukunft": Mit einer Reihe von Interviews begleitet die Max-Planck-Gesellschaft die "Expedition Zukunft", einen 300 Meter langen vom BMBF finanzierten Ausstellungszug, der von Frühjahr bis November 2009 quer durch die Republik reist.

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

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