Die benötigte UVB-Strahlung wird teilweise in der Stratosphäre absorbiert, ein Teil dringt aber auch bis zum Erdboden vor.
Die Atmosphäre oxidiert Luftfremdstoffe
OH leitet den Abbau der meisten atmosphärischen Luftfremdstoffe ein und reagiert auch mit Aerosolen oder Wolkentropfen. Effektiv ist die Lebensdauer (vgl. → Kap. 1) der meisten atmosphärischen Spurengase durch die Reaktion mit OH bestimmt. Es wird daher oft auch als «Waschmittel der Atmosphäre» bezeichnet. Ozon spielt damit für die troposphärische Chemie eine wichtige Rolle – OH und Ozon machen die Atmosphäre zu einem oxidierenden Medium. So werden beispielsweise alle Kohlenwasserstoffe durch Reaktion mit OH über mehrere Stufen schließlich zu CO2 und Wasserdampf abgebaut.
Aerosole stammen aus Industrie und Biomassenverbrennung
Die Emissionen (Schadstoffausstoß) von Spurengasen und Aerosolen sind räumlich und zeitlich variabel. Als Beispiel zeigt → Abb. 2-8 die geschätzten Emissionen von Schwefeldioxid und Russ für den Monat September für die Verhältnisse in den 1990er-Jahren, als die Emissionen besonders hoch waren. Schwefeldioxid wird vor allem in den industrialisierten Regionen (Nordamerika, Europa, Ostasien) ausgestoßen, ebenfalls sichtbar sind die Schiffsrouten über die Ozeane. Eine zweite Quellregion sind die Tropen, insbesondere Brasilien und Afrika. Die wichtigste Quelle ist hier die Biomassenverbrennung in der Trockenzeit. Letztere ist auch eine wichtige Quelle für Russ. Heute sind die Emissionen von SO2 dank der getroffenen Maßnahmen und trotz des in einigen Regionen der Erde starken Wirtschaftswachstums wieder gesunken.
Abb. 2-8 |Geschätzte Emissionen von Schwefel (links) und Russ (rechts) für den Monat September für die Situation in den 1990er-Jahren, als die globalen Schwefelemissionen besonders hoch waren (aus Brönnimann 2015).
Abb. 2-9 |Mikroskopaufnahmen von verschiedenen Aerosolen (Bilder: USGS, UMBC, Arizona State University).
Aerosole sind flüssige oder feste Partikel in der Atmosphäre
Aerosole, flüssige oder feste Schwebeteilchen in der Atmosphäre, werden einerseits durch Verbrennungsprozesse ausgestoßen (primäre Aerosole wie beispielsweise Russ) oder entstehen in der Atmosphäre durch chemische Vorgänge (sekundäre Aerosole). Einige Mikroskopaufnahmen von Aerosolen sind in → Abb. 2-9 gezeigt. Aerosolpartikel haben ganz unterschiedliche Größen, Formen und Eigenschaften. Aerosole absorbieren und streuen kurz- und langwellige Strahlung (vgl. → Kap. 3) und beeinflussen dadurch auch die Temperatur. Außerdem sind sie an der Wolkenbildung beteiligt (vgl. → Kap. 2.4); sie sind also doppelt in den Strahlungshaushalt der Atmosphäre eingebunden. Aerosole haben auf das Klima insgesamt eine abkühlende Wirkung, die Unsicherheit über das Ausmaß ist in der Wissenschaft allerdings nach wie vor sehr groß. Die Klimaprozesse werden im Detail in → Kap. 10 erläutert.
Zu den natürlichen Aerosolen gehören Mineralstaub, Salzkristalle über dem Meer, biologische Aerosole (Pollen, Bakterien, Sporen) und vulkanische Sulfataerosole. Der Mensch trägt insbesondere große Mengen an Russ sowie Sulfat- und Nitrataerosole bei. Gerade für die Wolkenbildung sind auch sekundäre Aerosole wichtig. So können von Bäumen emittierte Terpene (eine Gruppe von Kohlenwasserstoffen) zur Bildung von Wolkenkeimen führen.
Gasförmige Luftverschmutzung und Aerosole beeinträchtigen nicht nur das Klima, sondern auch Ökosysteme und die menschliche Gesundheit. Durch die prekäre Luftsituation in den 1980er-Jahren in Europa wurden See-Ökosysteme geschädigt und ein großflächiges «Waldsterben» wurde befürchtet, das in dieser Form aber glücklicherweise nicht eingetreten ist. In den 1980er- und 1990er-Jahren wurde der Sommersmog als Umweltproblem erkannt. Strengere Emissionsvorschriften haben seither zwar zu tieferen Spitzenwerten geführt, die Anzahl der Ozongrenzwertüberschreitungen ist aber nach wie vor sehr hoch.
Feinstaub ist stark gesundheitsgefährdend
Besonders gesundheitsschädigend ist Feinstaub, der ebenfalls entweder durch Verbrennungsprozesse oder mechanische Vorgänge ausgestoßen wird (primärer Feinstaub) oder in der Atmosphäre bei Abbauvorgängen als Zwischenprodukt entsteht (sekundärer Feinstaub). Teilchen, die kleiner als 10 Mikrometer sind, werden PM10 genannt (für «particulate matter below 10 μm»). Sie können eingeatmet werden. Teilchen, die kleiner als 2.5 Mikrometer (PM2.5) sind, können sogar tief in die Lungen eindringen. Feinstaub beeinträchtigt die Atemwege (führt dort zu Entzündungen) und kann zu Herz-Kreislauf-Störungen führen. Auch eine krebserregende Wirkung ist nachgewiesen. Besonders bei austauscharmen winterlichen Inversionslagen (vgl. → Kap. 8.3.2) kann die Feinstaubkonzentration gesundheitsgefährdende Werte erreichen.
2.4 | Kondensation und Wolkenbildung
Aerosole spielen bei der Wolkenbildung in mehrfacher Weise eine zentrale Rolle. In der Folge sollen die wichtigsten Vorgänge der Wolkenbildung von der physikalischen Seite her beleuchtet werden. Dazu müssen wir uns zunächst einige Gedanken zum Verdunsten und Kondensieren von Wasser machen.
Sättigungsdampfdruck: Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Anlagerung
Wie oben erwähnt, besitzt das Wassermolekül ein Dipolmoment, d.h. im flüssigen Zustand sind die Moleküle unter sich durch Wasserstoffbrücken leicht gebunden. Moleküle an der Oberfläche müssen erst diese Bindungen überwinden, um in die Atmosphäre überzutreten (→ Abb. 2-10, links). Man nennt dies die Oberflächenspannung. Umgekehrt müssen die Wassermoleküle in der Gasphase gegen die Oberflächenspannung Arbeit verrichten und dabei ihre latente Energie abgeben. Bei einer gegebenen Temperatur stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei welchem genau gleich viele Moleküle die Wasseroberfläche verlassen wie Moleküle aus der Gasphase in die flüssige Phase übertreten. Der Dampfdruck in diesem Gleichgewicht heißt Sättigungsdampfdruck. Er hängt von der Temperatur ab.
Abb. 2-10 |Schematische Darstellung des Sättigungsdampfdrucks über einer ebenen Fläche (links) sowie über einem kleinen Tröpfchen (rechts).
Kelvin-Effekt: Kleiner Tröpfchenradius erhöht Sättigungsdampfdruck
Für die Bildung von Wolken muss berücksichtigt werden, dass Wolkentröpfchen gewölbte Oberflächen haben (→ Abb. 2-10, rechts). Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen aus der äußersten Schicht das Tröpfchen verlässt, ist jetzt höher. Die Moleküle tendieren daher stärker zur Gasphase. Es braucht einen entsprechend höheren Dampfdruck, um dem entgegenzuwirken. Der Sättigungsdampfdruck ist deshalb über einer gewölbten Fläche höher als über einer ebenen Fläche. Dieser Effekt heißt Kelvin-Effekt und ist sehr stark von der Tröpfchengröße abhängig.
Lösungseffekt: Wasseranlagerung an Aerosole und deren Löslichkeit senken den Sättigungsdampfdruck
Wie können jetzt Wolken entstehen? In der Anfangsphase eines Wolkentropfens ist dieser sehr klein, der benötigte Dampfdruck deshalb sehr hoch (→