Dreck in Maßen macht mehr Regen

Zusammenhang zwischen Aerosolmenge und Energie in der Atmosphäre

Der rote Faden, dem das Forscherteam durch das Labyrinth der gegensätzlichen Effekte gefolgt ist, ist der Energiefluss. Mit diesem Ansatz haben die Wissenschaftler die beiden Prozesse in Zusammenhang gebracht und können jetzt erstmals abschätzen, um wie viel Watt sich die Energie ändert, die für die Zirkulation in der Atmosphäre bereitsteht, wenn sich die Menge der Aerosole ändert.

Der Zusammenhang zwischen der Aerosolmenge und Energie in der Atmosphäre, die für die Bildung von Niederschlag zur Verfügung steht, lässt sich mit einer Kurve beschreiben: Zunächst steigt die freigesetzte Energiemenge mit zunehmender Aerosolmenge an, erreicht einen Gipfel und fällt dann stark ab. Vor dem Gipfel der Kurve sorgen mehr Aerosole für mehr Niederschlag, nach dem Gipfel bremsen weitere Aerosole den Niederschlag. Ihr Maximum erreicht die Kurve bei 1200 Kondensationskeimen pro Kubikzentimeter Luft - das entspricht dem Volumen eines Stücks Würfelzucker. Bei dieser Konzentration schirmen natürliche und von Menschen gemachte Aerosole zwar etwa ein Fünftel der Sonnenenergie ab, aber die zusätzliche Energie aus Kondensation und Gefrieren gleicht dies aus.

Und damit lässt sich nun auch erklären, warum Niederschläge im Amazonas-Regenwald häufig, kurz und vor allem dort auftreten, wo auch das Wasser verdunstet. Über dem Gebiet des Regenwaldes ist die Luft sehr sauber. Bei diesen niedrigen Aerosolkonzentrationen verdunstet zum einen viel Wasser, da viel Sonnenergie den Boden erreicht. Zum anderen können sich nur wenige, dafür aber große Tropfen bilden, die schnell zu Boden fallen. Am Boden steht zwar viel Energie zur Verfügung, aber sie gelangt nicht in die Höhen, in denen sich langlebige Wolken bilden.

Wolkenbildung in einer sauberen (oben) und in einer verschmutzten (unten) Atmosphäre

Mittlere Aerosol-Konzentrationen verzögern dagegen das Abregnen, da erstens weniger Wasser verdunstet und sich mehr und dafür leichtere Tröpfchen bilden. Diese steigen weiter auf und gelangen in Höhen, in denen die Atmosphäre so kalt ist, dass sie gefrieren. Dabei wird - genau wie beim Kondensieren - Wärme frei. So wird die Luft wieder wärmer und kann weiter aufsteigen. Die an die Aerosole gebundene Feuchtigkeit transportiert also Energie dorthin, wo sich größere Wolken bilden. Dies regt die Zirkulation der Atmosphäre an und es kann mehr Regen fallen, eventuell auch Hagel. Dieser Niederschlag kann auch über längere Strecken transportiert werden, da die Wolken nicht sofort abregnen, sondern erst reifen. Mittlere Aerosolkonzentrationen sorgen für die höchsten Regenfälle, sowie Starkregenereignisse und Stürme, da hier die Energie für Wolkenbildung und Zirkulation am höchsten ist.

Bei sehr hohen Aerosolkonzentrationen wirken sowohl der Sonnenschirmeffekt als auch die Wolkenprozesse abschwächend auf die Zirkulation der Atmosphäre. Zum einen verdunstet weniger Wasser. Zum anderen sind so viele Aerosolpartikel vorhanden, dass sich die wenige Feuchtigkeit stark verteilt: Es entstehen nur winzige Regentropfen und feines Eispulver. Da Mikrotropfen und Pulver zu leicht sind, um zu fallen, verdunsten sie nach einer Weile. Dabei entziehen sie der Luft genau die Wärme, die sie beim Kondensieren und Gefrieren freigesetzt haben. Dies lähmt die Zirkulation, da die Luftmassen nicht weiter aufsteigen können. Die Folge: Regen bleibt aus - Dürren werden häufiger.

"Mit diesen Ergebnissen können wir endlich die Auswirkungen von Aerosolen in den Klimamodellen besser vorhersagen. Denn gerade die widersprüchlichen Effekte der Aerosole hindern uns zurzeit daran, genauere Aussagen über die Zukunft des Klimas zu machen", so Andreae.

Max-Planck-Gesellschaft (2008)