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Aerosole, die kaum bekannte Komponente der Atmosphäre
Aerosolpartikel spielen eine sehr wichtige Rolle in der Klimatologie. Sie tragen wesentlich zur Luftverschmutzung bei und können unsere Gesundheit beeinträchtigen. In unserer neuen fünfteiligen Blogserie erfahren Sie in den kommenden Wochen viel Neues über die Besonderheiten von Aerosolen, ihre Wechselwirkungen mit Wolken und ihre Auswirkungen auf Klima und Gesundheit. Ausserdem zeigen wir Ihnen, wie MeteoSchweiz die Messungen und Aktivitäten der kleinen Partikel vornimmt. Im ersten Teil erfahren Sie was die Aerosole genau sind, woher sie kommen und was sie mit Sonnenuntergängen zu tun haben.
Ein historischer Irrtum
Aerosole sind flüssige oder feste Partikel, die in der Luft schweben. Aerosole werden in der Fachliteratur als Particulate matter (PM) bezeichnet und sind nach ihrer Grösse kategorisiert: PM1, PM2.5 und PM10 sind Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 1, 2.5 und 10 Mikrometer. Nicht zu den Aerosolen zählt die Gruppe der Hydrometeore, also Wolken- und Regentropfen, Schneeflocken und Graupelpartikel.
Es gab eine Zeit, als es empfohlen wurde, keine Aerosolsprays zu verwenden, um die Zerstörung der Ozonschicht zu stoppen. Diese Sprays enthielten eine Flüssigkeit, welche mit Hilfe eines Treibgases in feinste Tröpfchen (Aerosole) umgewandelt und versprüht wurde. Verantwortlich für die Schädigung der Ozonschicht waren jedoch nicht wie vermutet die Aerosole, sondern die zur Versprühung verwendeten Treibmittel. Vor der Unterzeichnung des Montreal-Protokolls im Jahr 1987 wurden im grossen Stil Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Treibmittel in Spraydosen eingesetzt. FCKW galten als sehr praktisch, da sie nicht brennbar, geruchlos und chemisch stabil sind. Als die Wissenschaft aber herausfand, dass FCKW der Ozonschicht schaden, wurden die Substanzen bis heute verboten, auch in der Schweiz. Heute enthalten die Sprays stattdessen Gase wie Dimethylether, Butan oder Propan. Ersteres ist nicht nur ein gutes Treibmittel im Spray, sondern auch als effizientes Treibhausgas bekannt.
Die schädliche Wirkung der Aerosole auf die Ozonschicht war also ein Irrtum. In einem nächsten Blog in dieser Serie berichten wir davon, wie Aerosole die globale Erwärmung eindämmen können. In der Zwischenzeit sollten wir uns aber mit diesen feinen Teilchen etwas vertrauter machen.
Die Herkunft der Aerosole
Aerosole kommen aus verschiedenen natürlichen oder anthropogenen Quellen. Aerosole, die durch Verbrennungsprozesse (Verbrennungsmotoren, Heizung, Industrie, Waldbrände, Vulkanausbrüche usw.) entstehen, sind in der Regel sehr klein und bestehen aus Russagglomeraten. Sie haben einen ziemlich komplexen Aufbau. Mineralstaub, wie z.B. der Sand der Sahara, und Meersalz gehören zu den grössten Aerosolen. Nur Pollen sind noch grösser – im Vergleich zu manchen Russpartikeln sind sie mit 10-200 Mikrometer Durchmesser geradezu riesig.
Weitere Aerosolquellen sind botanische Abfälle, Staubsuspensionen aus landwirtschaftlichen Arbeiten, sowie der Abrieb von Autoreifen. Bei Vulkanausbrüchen werden teilweise beträchtliche Mengen an Asche in sehr grosse Höhen geschleudert. Alle diese Aerosole werden als primär bezeichnet, weil sie direkt in Form von Partikeln in die Atmosphäre injiziert werden.
Die sogenannten Sekundäraerosole entstehen in der Atmosphäre durch Gas-Partikel-Umwandlung. Dabei kondensieren verschiedene Dämpfe natürlichen oder anthropogenen Ursprungs zu Partikeln. Die Hauptgase, welche die Bildung neuer Partikel ermöglichen, sind Schwefelgase und Stickoxide. Kürzlich haben Forscher herausgefunden, dass neue Partikel auch durch organische Dämpfe erzeugt werden können (Kirkby et al. Nature, 2016).
Die Lebensdauer von Aerosolen
Als Lebensdauer eines Partikels bezeichnet man die in der Atmosphäre verbrachte Zeit. Mit einigen Stunden bis Wochen ist diese Zeit bei Aerosolen relativ kurz. Das erklärt auch, weshalb die Verteilung der Aerosole über den Globus so viel heterogener ist als beispielsweise die räumliche Verteilung von Kohlendioxid. Die feinsten Partikel haben ein eher kurzes Leben, weil sie durch Koagulation, Kondensation oder chemische Reaktionen schnell zu größeren Partikeln werden. Größere Partikel werden in der Regel in wenigen Tagen durch Sedimentation entfernt und wieder in der Nähe ihrer Emissionsstelle abgelagert.
Es sind daher Teilchen mittlerer Größe (zwischen 0.1 und 2.5 Mikrometer), die am längsten in der Atmosphäre bleiben. Langandauernde und regelmässige Niederschläge sind der sicherste Weg, um Aerosole aus der Atmosphäre zu entfernen. Mineralstaub aus Wüsten, Vulkanasche oder Russ von Waldbränden wird manchmal schnell in große Höhen getrieben und kann über Tage oder sogar Wochen durch die ganze Welt reisen.
Deshalb misst MeteoSchweiz jedes Jahr auf dem Jungfraujoch während insgesamt 100 bis 800 Stunden Staub aus der Sahara. Im August 2017 haben grossflächige Waldbrände in Kanada Russ in 15 bis 17 km Höhe verfrachtet. Der Russ konnte über die atmosphärische Strömung bis nach Europa gelangen, wie im Bild unten gezeigt.
Aerosole sind verantwortlich für die schönsten Sonnenuntergänge. Ist die Sonne tagsüber im Zenith, haben Sonnenstrahlen den kürzesten Weg durch die Atmosphäre bis zum Erdboden. Damit bleibt die Zahl der Kollisionen zwischen Lichtstrahlen und Aerosolen eher gering, was den Himmel blau erscheinen lässt. In der Morgen- und Abenddämmerung, wenn der Weg der Sonnenstrahlen durch die Atmosphäre zum Erdboden aufgrund des flachen Winkels länger ist und es zu vielen Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Strahlung kommt, erscheint der Himmel im rot-orangen Farbbereich. Sind besonders viele Aerosole in der Luft, werden Sonnenuntergänge umso spektakulärer. So zum Beispiel bei diesem Sonnenuntergang Ende August 2017: