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Ruß kann wärmend oder kühlend wirken: Unsicherheitsfaktor in Klimavorhersagen

Montag 22. April 2013 von birdfish



Die Verbrennung von fossilen und nachwachsenden Rohstoffen beeinflusst unser Klima durch die Entstehung von Ruß.

Schwarzer RauchRauch eines Feuers in extrem trockener Vegetation in australischer Wüste. Foto: C. Hadfield / NASA

Dieser kann – je nach Situation wärmend oder kühlend wirken. Viele Gründe machen es schwer, eine Bilanz der schwarzen Kohlenstoffpartikel zu ziehen, wie ein Artikel im Forschungsmagazin Science zeigt.

Vor einigen Monaten überraschte eine wissenschaftliche Publikation die Klimaforscher weltweit. Ein amerikanisches Forscherteam kam zu dem Schluss, dass der Beitrag, den Ruß an der weltweiten Klimaerwärmung liefert, etwa doppelt so groß ist, wie bisher angenommen. Rußpartikel entstehen bei der Verbrennung fossiler Energiequellen wie Kohle und Öl und auch bei der Nutzung von Biomasse wie Holz. Die Forscher um die Chemikerin Tami Bond stufen den schwarzen Kohlenstoff (Black Carbon), so der wissenschaftliche Sammelbegriff für Rußpartikel, in seiner Klimaschädlichkeit sogar höher ein als die des Treibhausgases Methan.

Wie es zu solch großen Differenzen in der Bewertung der Klimawirkung von Ruß kommen kann, beschreibt eine aktuelle Publikation im Wissenschaftsmagazin Science. Gemeinsam mit seinem kalifornischen Kollegen Veerabhadran Ramanathan erklärt Meinrat O. Andreae, Direktor am Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie, welche globalen und regionalen Klimaauswirkungen die schwarzen Partikel haben können. Ruß ist in der Erdatmosphäre die größte Absorptionsquelle von Sonnenstrahlung.

„Anders als die chemisch präzise definierten Treibhausgase sind Rußpartikel verschiedenartig aufgebaut und haben sehr unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. Allein das macht es schwierig, den Einfluss von Ruß auf das Klima genau zu bestimmen“, sagt der Mainzer Klimaforscher Prof. Andreae. „Eine konkrete Ursache, warum die Vorhersagen so weit auseinander liegen, sehen wir im sogenannten braunen Kohlenstoff.“ Diese Kohlenstoffpartikel entstehen auch bei der Verbrennung von Biomasse und durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre. Genau wie schwarzer absorbiert brauner Kohlenstoff Licht und Wärme – eine Tatsache, die bisher in den meisten Klimamodellen ignoriert wurde. Man nahm im Gegenteil an, dass brauner Kohlenstoff unser Klima sogar kühlt, da die Partikel mehr Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektieren als sie an die Erde abgeben.

Für eine Klimabilanz muss man alle Wirkmechanismen von Ruß kennen

Ein weiterer Unsicherheitsfaktor liegt im Zusammenspiel der kühlenden und erwärmenden Eigenschaften von Ruß. Rußpartikel nehmen nicht nur besonders gut Wärme auf und geben sie an die Erdatmosphäre ab. Sie dienen auch als Keime für die Kondensation von Feuchtigkeit, was schließlich zur Wolkenbildung führt. Und Wolken wiederum reflektieren die Sonnenstrahlung. Um eine korrekte Bilanz für Ruß zu erstellen, muss man also alle klimarelevanten Mechanismen genau kennen – kühlende wie erwärmende.

Eine solche Bilanz erstellten die amerikanischen Wissenschaftler um Bond in ihrer Studie. Sie fassten dazu alle verfügbaren Simulationen und Beobachtungen zusammen und berechneten die Energiemenge, die die schwarzen Partikel aus der Sonnenstrahlung absorbieren und somit an das Klimasystem abgeben können. Der sogenannte Strahlungsantrieb (radiative forcing) liegt mit 1,1 Watt pro Quadratmeter doppelt so hoch wie der Wert, der 2011 in einer Studie des UN Umweltprogramms (UNEP) und der weltweiten Meteorologischen Organisation (WMO) zur Vorhersage der Erderwärmung genutzt wurde. Für Bond und ihre Kollegen ist Ruß also viel klimarelevanter als bisher angenommen.

Wie ist dieser große Unterschied zu früheren Berechnungen zu erklären? Andreae und sein Kollege Ramanathan vergleichen unterschiedliche Ansätze zur Herleitung des Strahlungsantriebs durch die Absorption von Licht durch Ruß. Der Klimaforscher Ramanathan hat ihn aus Absorptionsdaten von Satelliten und 140 Bodenmessstationen ermittelt. Die Bond-Studie leitet zunächst einen wesentlich kleineren Wert aus Emissionsinventaren und Atmosphärenmodellen her, und muss ihn dann hochskalieren um den abgeleiteten Wert in die Nähe des Werts aus den Messdaten zu bringen. Daraus folgern Andreae und Ramanathan, dass in den meisten Klimavorhersagen entweder eine wichtige Quelle für Ruß nicht berücksichtigt wurde oder dass Daten aus sogenannten Abschätzungen der weltweiten Emissionen nicht zuverlässig genug sind.

Ruß macht regionale Klimavorhersagen noch unsicherer

Noch größer werden die Unsicherheiten durch den Faktor Ruß auf regionaler Ebene – beispielsweise bei Niederschlagsvorhersagen. Dies rührt unter anderem daher, dass Ruß gegenläufige Effekte bei der Entstehung von Wolken hat. Bei kleinen Wolken verringern die Partikel die Niederschlagseffizienz, bei großen Wolken steigt sie an. Der Ruß in der Luft über dem indischen Ozean wirkt wie ein Sonnenschirm, so dass sich das Meerwasser weniger erwärmt und deshalb weniger Wasser verdunstet. Als Folge befürchten Forscher, dass sich beispielsweise die Monsun-Regenfälle in Südasien abschwächen – einer Region, in der zunehmend Biomasse verbrannt wird.

Außerdem erzeugt die Absorption von Sonnenstrahlung durch Ruß in der Atmosphäre Wärmegradienten, wodurch sich die Luftströmungen verändern. Das wird unter anderem für die bereits beobachtete Verschiebung des Tropengürtels nach Norden verantwortlich gemacht.

Wurde die Strahlungsabsorption von Ruß in bisherigen Vorhersagen tatsächlich so deutlich unterschätzt, wie die amerikanischen Forscher um Bond behaupten, muss man regionale Klimaeffekte neu bewerten, so Andreae und Ramanathan. Das wiederum erfordert genau definierte Beobachtungen im Klimasystem, von Satellitendaten bis zu mikrochemischen Messungen von Aerosolen.

Und schließlich bleibt die Frage offen, ob sich all die Anstrengungen, die Entstehung von Ruß zu vermindern, wirklich lohnen. Denn mit der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen auch Stoffe wie Schwefeldioxid, die unser Klima kühlen. Eine Gesamtbilanz für unser Klima wird dadurch umso schwieriger.

Warum wir dennoch alles daran setzen sollten, die Entstehung von Ruß so weit wie möglich zu verringern, liegt in seiner Schädlichkeit für die menschliche Gesundheit. Geschätzte 3,5 Millionen Menschen sterben jährlich durch die Luftverschmutzung mit Ruß und verwandten Feinstaubpartikeln in Haushalten, besonders in den Entwicklungs- und Schwellenländern, wo oft noch am offenen Feuer gekocht wird.

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