Warum Forscher kleinste Teilchen zählen

Staub im Klimarechner

Ein vom europäischen Forschungssatelliten ENVISAT am 29. August 2003 über Italien beobachteter Sandsturm. Bild vergrößern
Ein vom europäischen Forschungssatelliten ENVISAT am 29. August 2003 über Italien beobachteter Sandsturm.

Dass auf Kommando Regen vom Himmel fällt, um verdorrte Landstriche in blühende Wiesen und Felder zu verwandeln, ist seit Menschengedenken ein Traum, den leider noch niemand verwirklichen konnte. Im alten Griechenland flehten die Bauern Zeus an, Regen zu schicken. Und viele indigene Völker führen heute noch Regentänze auf, um von ihren Göttern ausreichend Niederschlag für ihre Felder zu erbitten. Mit den modernen Naturwissenschaften hat dies nichts zu tun. Schließlich taugen Forscher kaum als Regenmacher – sollte man meinen. Trotzdem erkundeten US-amerikanische Wissenschaftler bis in die 70er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts hinein Möglichkeiten, künstlich Regen zu erzeugen. Und israelische Forscher tüfteln heute wieder an Methoden, mit denen sie es gezielt in einzelnen Regionen regnen lassen wollen.

Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen stehen keine modernen Methoden der Götterbeschwörung, sondern Aerosole. Der Begriff meint eigentlich das Aerosolteilchen und die umgebende Luft. Wissenschaftlich ausgedrückt lautet die Definition: „Stabile Suspensionen von festen oder flüssigen Partikeln in Luft.“ Ein mittelgroßes Aerosolpartikel misst etwa 100 Nanometer und ist damit rund 2000 Mal kleiner als der Punkt am Ende dieses Satzes. Solche Teilchen entstehen beispielsweise bei jedem Sandsturm, bei dem der Wind tonnenweise Sand und Staub in die Atmosphäre wirbelt. Größere Sandkörner setzen sich bald wieder am Erdboden ab; kleine Partikel werden zum Teil bis in die Stratosphäre (also bis in über 10 Kilometer Höhe) transportiert und „wandern“ so um die halbe Welt. So stammt beispielsweise ein Teil des Aerosolstaubs über Florida aus der afrikanischen Sahara. Was aber haben Aerosole mit Regen zu tun?

Seit Mitte des vergangenen Jahrhunderts wissen Forscher, dass Aerosolpartikel Kondensationskerne für Wolkentröpfchen sind: Wassermoleküle lagern sich – schichtweise – darauf ab; der gasförmige Wasserdampf wird dadurch flüssig. Die Anlagerung von Wasser wird durch die Feuchte der Umgebungsluft, die Temperatur und die chemische Zusammensetzung der Partikel (Hygroskopizität) bestimmt. Ist die Umgebungsluft mit Wasserdampf übersättigt, wird ein Teil der Partikel aktiviert: Sie überschreiten aufgrund der Anlagerung von Wasser einen kritischen Radius und wachsen dann zu einem Wolkentropfen weiter. Sobald genügend viele und große Tröpfchen vorhanden sind, regnet es. Was liegt also näher, als per Flugzeug künstliche Aerosole in die Atmosphäre zu schaffen und zu hoffen, dass es in den Gebieten darunter regnet? Vor allem Silberjodidkristalle wurden in der Vergangenheit für solche Experimente verwendet. Allerdings verliefen diese Aktionen nicht allzu erfolgreich. Und nicht nur die daran Beteiligten lernten bald, dass das natürliche Geschehen weitaus komplizierter ist, als sie zunächst angenommen hatten.

Kleine Teilchen - Große Wirkung

Verschiedene Aerosol-Typen (v. li. Sulfat, Ruß, Meersalz, Staub) Bild vergrößern
Verschiedene Aerosol-Typen (v. li. Sulfat, Ruß, Meersalz, Staub)

Wissenschaftler fanden schnell heraus, dass Aerosole hochkomplexe Stoffe sind, die je nach Herkunft zahlreiche verschiedene Bestandteile enthalten und ein breites Spektrum an chemischen und physikalischen Eigenschaften aufweisen. In der Natur sorgt vor allem die Erosion von Boden durch Wind für die Entstehung von Aerosolen. Diese enthalten dann hauptsächlich mineralische Bestandteile. Der Eintrag von Mineralstaub in die Atmosphäre wird allerdings auch von menschlichen Aktivitäten wie Wüstenbildung durch Überweidung und Winderosion von Äckern als Folge verschiedener Ackerbautechniken beeinflusst. Über den Meeren wirbelt der Wind salzhaltige Aerosole in die Atmosphäre. Bei der Verbrennung von Biomasse – dazu gehören die Verbrennung von Feuerholz und Ackerabfällen, Brandrodung und Waldbrände – bilden sich ebenfalls winzige Partikel, vor allem aus Ruß und anderen kohlenstoffhaltigen Verbindungen.

In Städten und Industriegebieten sorgt der Mensch für enorme Mengen an Aerosolen – etwa durch Verkehr oder aus Zementwerken, Glashütten, Gießereien und Stahlwerken. Bei der Produktion jeder Tonne Rohstahl gelangten Mitte des vergangenen Jahrhunderts etwa 15 kg Aerosole in die Atmosphäre und heute sind es, trotz großer Filteranlagen, immerhin noch etwa 2 kg. Durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas entstehen, wenn diese schwefelhaltig sind, neben Aerosolen aus Ruß auch solche aus organischen Stoffen und Sulfat. Sulfat aber bildet mit Wasser Schwefelsäure – einen der Hauptbestandteile des sauren Regens. Da fossile Brennstoffe heute zum Teil entschwefelt sind, hat die Menge der Sulfat-Aerosole in Europa und den USA in den vergangenen 20 Jahren allerdings deutlich abgenommen.

Den Hauptanteil an Schwebstoffen in der Atmosphäre stellen Mineralstaub und Seesalz dar. Sie übertreffen die aus anthropogenen Quellen stammenden Partikel bei weitem. Trotzdem üben Sulfat- und Rußpartikel aufgrund ihrer Fähigkeit, sehr wirksam die einfallende Sonnenstrahlung zu streuen oder zu absorbieren, einen größeren Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Aerosols aus. Das liegt vor allem an ihrer Größe: Während Staub- und Seesalzteilchen 2 bis 10 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) groß sind, messen Sulfat- und Rußteilchen nur zwischen 0,1 bis 2 Mikrometer. Allein in Europa entstehen inzwischen jedes Jahr etwa 40.000 Tonnen Aerosole. „Und da es hier keine Wüsten mit Sandstürmen gibt und die Verbrennung von Biomasse ebenfalls kaum ins Gewicht fällt, spielen diese anthropogenen – also vom Menschen produzierten – Aerosole in Europa eine entscheidende Rolle,“ erklärt Johannes Quaas vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg. Er untersucht, wie Aerosole die Wolkenbildung beeinflussen – aber nicht, weil er es künstlich regnen lassen will. Vielmehr möchten er und seine Kollegen wissen, welchen Einfluss anthropogene Aerosole auf das Klima haben.

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