Treibhauseffekt und Emissionsszenarien Wie wirken sich Änderungen in der Zusammensetzung unserer Atmosphäre auf das Klimageschehen aus?

Aerosolarten und ihre Herkunft

Neben der Emission von Treibhausgasen tragen menschliche Aktivitäten auch durch die Freisetzung von kleinsten festen oder flüssigen Partikeln, den sogenannten Aerosolen, zur Änderung des Klimas bei. Aerosole sind dabei die ‚Gegenspieler‘ der Treibhausgase, da ihre klimatisch wichtigste Wirkung darin besteht, dass sie Sonnenstrahlung reflektieren und damit abkühlend wirken. Sowohl im Hinblick auf ihre Größe, ihre chemische Zusammensetzung wie ihre Herkunft gibt es eine nahezu unübersehbare Vielfalt von Aerosolen (Abb. 1). Aerosolteilchen wie beispielsweise Schwefel- und Rußpartikel, aber auch Meersalz, Mineralstaub oder Pollen sind nur wenige millionstel bis mehrere tausendstel Millimeter groß (10−9 m bis 10−4 m). Es gibt sowohl mineralische Aerosole wie Salzpartikel oder Staub als auch organische und biologische Teilchen sowie zahlreiche Zusammensetzungen davon.

Abb. 1: Arten von Aerosolen unter dem Elektronen-Mikroskop (von links nach rechts): vulkanische Asche, Pollen, Meersalz, Ruß (NASA Earth Observatory, 2010)

Ähnlich wie bei den Treibhausgasen gibt es Aerosole, die aus natürlichen Quellen stammen, und solche die vom Menschen verursacht werden bzw. anthropogenen Ursprungs sind. Natürliche Quellen sind etwa Vulkanausbrüche, Staubstürme in Wüsten, Waldbrände oder Stürme über den Ozeanen.

Bei den anthropogenen Ursachen spielt ähnlich wie bei den Treibhausgasen die Verbrennung von fossilen Energieträgern eine zentrale Rolle. Nach ihrem Entstehungsprozess unterscheidet man zwischen primären und sekundären Aerosolen. Erstere werden direkt als Partikel in die Atmosphäre emittiert wie z.B. Mineralstaub in Wüsten, Meersalzaerosole aus dem Ozean oder Ruß aus Verbrennungsprozessen.

Die sekundären Aerosole entstehen erst in der Atmosphäre durch chemische Umwandlung von gasförmigen Vorläuferstoffen wie die Sulfat-Aerosole (SO₄) aus Schwefeldioxid (SO₂), das aus der Verbrennung fossiler Energien oder aus Vulkanausbrüchen stammen kann. Anders als die wichtigsten Treibhausgase haben Aerosole nur eine kurze Verweilzeit in der Atmosphäre von Stunden bis zu Monaten. Größere Aerosole sinken durch die Schwerkraft in dieser Zeit wieder auf die Erdoberfläche zurück, kleinere werden ausgewaschen.

Klimatische Wirkung von Aerosolen

Abb. 2: Indirekte und semidirekte Wirkung durch Sulfat- und Staub-Aerosole und Ruß (eigene Darstellung)

Auch die klimatische Wirkung der Aerosole ist vielfältig. Einige Aerosole wie vor allem Sulfat-Aerosole reflektieren Sonnenstrahlen, andere wie Rußpartikel absorbieren sie aber auch. Zusammengenommen ist das der direkte Effekt, den Aerosole auf die Strahlung und damit auf das Klima haben. Außerdem wirken Aerosole aber auch indirekt auf das Klima (Abb. 2), indem sie als Kondensationskerne die Wolkenbildung fördern. Wolken reflektieren in hohem Maße die Sonneneinstrahlung, absorbieren in geringerem Maße aber auch die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung. Die Erwärmung durch Rußpartikel kann dagegen zur Auflösung von Wolken führen, wodurch mehr Sonnenstrahlung die Erdoberfläche erreicht. Diese Wirkung wird als semidirekter Effekt bezeichnet. Betrachtet man nur die anthropogenen Aerosole, so dominiert eindeutig der Abkühlungseffekt durch Sulfat-Aerosole (und einige andere Partikel) und durch die Wolkenbildung.

Hinzu kommt, dass Aerosole auch einen Einfluss auf die Niederschläge besitzen. Zum einen verringert der Abkühlungseffekt durch Aerosole die Verdunstung und damit den für Niederschläge zur Verfügung stehenden Wasserdampf. Zum anderen erhöhen Aerosole zwar die Anzahl der Kondensationskerne in der Atmosphäre und damit auch die Wolkenbildung. Es kommt jedoch aufgrund der hohen Anzahl von Kondensationskernen eher zur Bildung von kleinen Tröpfchen (also von Wolken) als von größeren Niederschlagstropfen, wodurch in einer aerosolbelasteten Atmosphäre die Niederschläge abnehmen.

Eine weitere Folge ist, dass damit auch die Lebensdauer von Wolken und ihre abkühlende Wirkung verlängert werden. Eine Modelluntersuchung kommt zu dem Ergebnis, dass eine (theoretische) Entfernung der gegenwärtigen anthropogenen Aerosole aus der Atmosphäre, nicht nur eine Erwärmung von 0,5-1,1°C zur Folge haben würde, sondern auch eine Zunahme der Niederschläge um 2,0-4,6% (Samset, B.H. et al., 2018).

Nach dem 5. Bericht des Weltklimarates IPCC von 2013 betrug der Abkühlungseffekt durch die zunehmende, vom Menschen verursachte Belastung der Atmosphäre mit Aerosolen zwischen 1750 und 2011 etwa -0,9 W/m² (IPCC, 2013). Die Unsicherheitsspanne ist dabei mit -1,9 bis -0,1 W/m² relativ groß, weil Aerosole wegen ihrer geringen Größe, ihrer Vielfalt, ihrer kurzen Lebensdauer und komplexen Reaktionen untereinander und mit anderen Bestandteilen der Atmosphäre quantitativ sehr schwer abzuschätzen sind. Vor allem ist der Einfluss von Aerosolen auf die Wolken noch wenig verstanden. Jüngere Untersuchungen liegen bei etwa derselben Größenordnung (Bellouin, N., J. Quaas, E. Gryspeerdt et al., 2020).

Aerosole haben damit ein Drittel des Strahlungsantriebs durch anthropogene Treibhausgase (ca. 3,0 W/m²) seit 1750 maskiert und den Klimawandel bis 2018 von 1,5°C auf 1,0°C reduziert (Samset, B. H, 2018). Eine aktuelle Untersuchung von Zheng et al. (2020) kommt zu der Einschätzung, dass Aerosole den Klimawandel bisher um etwa 40 Jahre verzögert haben (Zheng, Y., Davis, S.J., Persad, G.G. et al., 2020).

Räumliche Verbreitung und zeitliche Änderungen

Wegen ihrer kurzen Verweilzeit sind Aerosole im Gegensatz zu den langlebigen Treibhausgasen sehr heterogen in der Atmosphäre verteilt. Auch ihre klimatische Wirkung ist daher weniger global als regional von Bedeutung. Die abkühlende Wirkung etwa von Sulfat-Aerosolen zeigt sich vor allem dort, wo diese Aerosole entstehen. Durch Transport- und Rückkopplungsprozesse gibt es allerdings Effekte auch in größeren Entfernungen, so im Lee der Entstehungsgebiete oder in Regionen wie in der Arktis, in der geringe Wirkungen durch die Eis- und Schnee-Albedo-Rückkopplung verstärkt werden.

Abb. 3: Änderung der Sulfat-Belastung (links) und die resultierende Änderung der Strahlung 1970-2010 (rechts). Der Rückgang der Belastung mit Sulfat-Aerosolen über Europa und Nordamerika führt zu einer Erwärmung in diesen Regionen und in der Arktis. In Süd- und Ostasien nimmt die Konzentration von Sulfat-Aerosolen dagegen zu, mit der Folge einer Abkühlung vor allem über China (Zhao, A., Bollasina, M. A., Crippa, M., and Stevenson, D. S., 2019).

Auch in zeitlicher Hinsicht nehmen Aerosole nicht wie die meisten Treibhausgase kontinuierlich zu. Nach dem 2. Weltkrieg gab es zunächst einige Jahrzehnte lang einen starken Anstieg der Aerosolbelastung (vor allem von Sulfat-Aerosolen) in Europa und Nordamerika infolge der auf die Nutzung fossiler Energien setzenden Industrie- und Verkehrsentwicklung.Die zunehmende Aerosolbelastung erwies sich jedoch bald als ein Problem für die Gesundheit der Bevölkerung und wurde zudem für sauren Regen und Waldsterben verantwortlich gemacht. In Europa und den USA wurden seit den 1970er/1980er Jahren daher Maßnahmen ergriffen, die zu einer deutliche Reduzierung der Schwefeldioxid-Emissionen führten. In den Schwellenländern Asiens, vor allem in China und Indien, stiegen die SO₂-Emissionen jedoch weiterhin an und verstärkten sich noch. So hat die SO₄-Belastung zwischen 1970 und 2010 in Asien um 5,6 mg/m² zugenommen, in Europa dagegen um 4,0 mg/m² abgenommen (Zhao, A., Bollasina, M. A., Crippa, M., and Stevenson, D. S., 2019). Die Folgen waren eine deutliche Erwärmung durch weniger Sulfat-Aerosole in der Atmosphäre über den Alt-Industrieländern um örtlich 3 W/m2, was etwa dem globalen Strahlungsantrieb sämtlicher langlebiger Treibhausgase seit Beginn der Industrialisierung entspricht, und ein Abkühlungseffekt über den sich neu industrialisierenden Schwellenländern Asiens um bis zu -3 W/m² (Abb. 3). Ende der 2000er Jahre begann dann auch China mit einer wirksamen Luftreinhaltepolitik die Schwefeldioxid-Emissionen zu minimieren, so dass inzwischen Indien das Land mit den weltweit stärksten SO₂-Emissionen ist (Li, C., C. McLinden, V. Fioletov, et al., 2017).

Klimapolitik und Aerosole

Abb. 4: Temperaturzunahme durch den Rückgang der Aerosolemissionen bis 2100 nach verschiedenen Szenarien (Westervelt, D. M., Horowitz, L. W., Naik, V., Golaz, J.-C., and Mauzerall, D. L., 2015)

Der Rückgang der Aerosolkonzentration in den jüngsten Jahrzehnten wirft die Frage auf, welche Rolle Aerosole und insbesondere Sulfat-Aerosole in der künftigen Klimapolitik spielen werden, die sich entsprechend dem Pariser Klimagipfel eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5°C bzw. höchstens 2°C zum Ziel gesetzt hat.

Zum einen wird die weltweite Aerosol-Belastung aus gesundheitspolitischen Gründen weiter zurückgehen; China etwa versucht seine Kohlenutzung in erster Linie wegen der Luftverschmutzung zurückzufahren, weniger aus klimapolitischen Gründen.

Zum anderen sind die Pariser Klimaziele nicht ohne eine schnelle und radikale Reduktion der Nutzung fossiler Energien erreichbar. Beide Antriebe reduzieren die Emissionen von SO₂ und verhindern damit einerseits eine weitere Erwärmung durch weniger CO₂, bewirken andererseits aber zugleich einen Erwärmungseffekt durch weniger SO₂.

Je nach Szenario würde der Erwärmungseffekt durch die Minderung der Aerosolemissionen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts bei 0,5 bis 1,0°C liegen (Abb. 4). Die Klimapolitik steht damit in einem nicht geringen Zielkonflikt mit der Luftreinhaltepolitik.