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Die zwei Gesichter des südasiatischen Monsuns

Wissenschaftler untersuchen, wie der Monsun die weltweite Verteilung von Luftschadstoffen und die atmosphärische Selbstreinigung beeinflusst

Jülich, 15. Juni 2018 – Der Sommermonsun, das weltweit größte Wetterphänomen über Asien, transportiert Luftschadstoffe bis in die obere Atmosphäre, wo sie sich über den gesamten Globus verteilen können. Gleichzeitig jedoch verstärkt er die Selbstreinigung der verschmutzten Luft. Das hat jetzt ein internationales Forscherteam mit Jülicher Beteiligung anhand von Messdaten der 2015 durchgeführten Flugmission OMO (Oxidation Mechanism Observations) nachgewiesen. Bei der Kampagne hatten die Wissenschaftler mithilfe des deutschen Forschungsflugzeugs HALO die Luftzusammensetzung zwischen dem östlichen Mittelmeer und dem Indischen Ozean bis 15 km Höhe analysiert. Mit an Bord waren Instrumente des Forschungszentrums Jülich und des Max-Planck Instituts für Chemie in Mainz zur Messung der für den Luftschadstoffabbau verantwortlichen Hydroxyl-Radikale.

Kein Wetterphänomen prägt Südasien so stark wie der Monsun: Die gigantische Luftströmung führt im Winter zu Trockenheit und Dürre und sorgt im Sommer für starke Regenfälle, die monatelang andauern können. Der Monsun entsteht, weil sich Luftmassen über dem Indischen Subkontinent in den Sommermonaten sehr stark aufheizen. Die warme Luft steigt nach oben, feuchte Ozeanluft wird angesaugt und strömt über das Land in Richtung Himalaya. Dabei bilden sich riesige Wolken.

Bislang war es nur eine Vermutung, dass die aufsteigenden Luftmassen auch verschmutzte Luft hoch in die Atmosphäre transportieren, bis über die Regenwolken hinaus. Luftverschmutzung ist ein wachsendes Problem in Südasien. Dort sind im letzten Jahrzehnt die Stickoxid- und Schwefeldioxid-Emissionen um fünfzig Prozent gestiegen – vor allem durch die Verbrennung von Kohle und anderen fossilen Energieträgern. Jedes Jahr bildet sich während der winterlichen Trockenzeit von Dezember bis März eine riesige von Menschen verursachte Schmutzwolke über Südasien: Die "Atmospheric Brown Cloud" reicht vom Norden des Indischen Subkontinents bis zum Indischen Ozean. Während der Regenzeit im Sommer verschwindet die Schmutzwolke wieder – welche Rolle der Monsun dabei im Einzelnen spielt wurde jetzt erstmals mit direkten Messungen untersucht.

atmospheric brown cloudEine riesige Schmutzwolke über Südasien: die Atmospheric Brown Cloud entsteht jedes Jahr während der Wintermonate durch die Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen.
Copyright: NASA

Schadstoffpumpe bis über die Wolken

Mit dem Forschungsflugzeugs HALO stiegen die Wissenschaftler bis in 15 Kilometer Höhe auf und sammelten Daten in einem Gebiet zwischen dem östlichen Mittelmeer und dem Indischen Ozean. Sie kreuzten dabei auch Regionen über dem Nahen Osten, dem Mittelmeer und Nordafrika, um die Ausdehnung der Phänomene zu untersuchen. Die nun ausgewerteten Daten der Flugmission zeigten eindeutig: Einige der Schadstoffe gelangen, getrieben durch den Monsun, bis in die obere Troposphäre in 15 Kilometern Höhe. Dort geraten sie in riesige Windwirbel oberhalb der Wolken – sogenannte Antizyklone – und verteilen sich anschließend weltweit. So konnten die Forscher nachweisen, dass die Mengen von Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid innerhalb der Antizyklone deutlich erhöht waren. Und sie konnten belegen, dass die Schadstoffe zu großen Teilen aus Südasien stammen und nicht, wie oft vermutet, aus China. Nahezu zehn Prozent des Schwefeldioxids gelangen in die Stratosphäre, mit Auswirkungen auf das Klima und die Ozonschicht.

In ihrer Auswertung berücksichtigten die Forscher Messungen zahlreicher chemischer Verbindungen: Schwefel- und Stickoxide, Ozon, Aerosolpartikel, chlorhaltige Moleküle, Kohlenwasserstoffe und deren Abbauprodukte. Methanmessungen dienten als Indikator dafür, ob die analysierte Luft aus Antizyklonen stammte – das Treibhausgas entweicht während des Monsuns in großen Mengen aus Reisfeldern, und hat eine lange Lebensdauer.

Mehr Waschmittel

"Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Messung von Hydroxyl-Radikalen, kurz OH-Radikalen, mit Messgeräten, welche Forscher aus Mainz und Jülich in mehrjähriger Zusammenarbeit für den Einsatz auf HALO entwickelt haben", erläutert Frank Holland vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. Die Messungen der OH-Radikale, die als Waschmittel der Atmosphäre gelten, zeigen dass die atmosphärische Selbstreinigung im Monsun unter dem Einfluss der Aufwinde, Gewitter und chemischen Reaktionen bemerkenswert verstärkt wird und ein bedeutender Teil der transportierten Luftschadstoffe oxidiert wird. Dadurch werden diese leichter wasserlöslich und können mit dem Niederschlag auf die Erde abregnen.

"OH-Radikale werden in der Atmosphäre durch chemische Reaktionen mit Stickoxiden effektiv regeneriert, nachdem sie durch die Reaktion mit Luftschadstoffen verbraucht worden sind", erklärt der Jülicher Atmosphärenchemiker Andreas Hofzumahaus. "Eine wichtige Quelle für Stickoxide sind Blitze – die in Monsun-Gewitterwolken ganz besonders häufig auftreten." Bestätigt wird diese Erklärung durch Berechnungen des Atmosphärenforschers Jos Lelieveld vom Mainzer Max-Planck Institut für Chemie mittels eines numerischen Modellsystems, das die chemischen Prozesse und Konzentrationen einzelner chemischer Verbindungen in der Atmosphäre global abbildet. Sobald die durch die Blitze entstehenden Stickoxide aus dem Modell entfernt wurden, sanken auch dort die OH-Konzentration um einen Faktor zwei bis drei ab.

Modellergebnisse verdeutlichen die Luftverschmutzung über Südasien.Modellergebnisse verdeutlichen die Luftverschmutzung über Südasien. Das linke Bild zeigt die Kohlenmonoxidemissionen (CO) in 12 bis 17 Kilometer Höhe, rechts die Darstellung ohne Emissionen aus Südasien. Im linken Bild sind zudem die Winde über der Region dargestellt, wodurch man den Antizyklon gut erkennt, der durch den Monsun entsteht.
Copyright: MPI für Chemie

Durch die Oxidation von Spurengasen mit OH-Radikalen können jedoch auch teilweise chemische Produkte entstehen, welche feine Partikel bilden. Weil sich Antizyklone weit ausdehnen und diese Aerosolpartikel verteilen, kann sich dieser Effekt auf das Klima weltweit auswirken.

Unklare Zukunft

Es ist anzunehmen, dass die Schadstoffemissionen in den nächsten Jahren weiter ansteigen – deshalb ist es für die Atmosphären-Forscher von Interesse, wie sich das Gesicht des südasiatischen Monsuns weiterentwickelt: Bleiben Reinigungs- und Transportmechanismus gleichzeitig bestehen oder kippen sie in die eine oder andere Richtung?

Über OMO

Im Jahr 2015 fand die OMO-Flugmission unter Leitung des Max Planck Institut (MPI) für Chemie in Mainz mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und der Universitäten Bremen, Wuppertal und Heidelberg statt. Ziel war die Untersuchung der atmosphärischen Selbstreinigungsfähigkeit und der Chemie atmosphärischer Luftschadstoffe in der freien Troposphäre unter Einfluss von Emissionen aus Südasien während des Sommer-Monsuns. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Messung von freien Radikalen (OH, HO2) durch Jülicher und Mainzer Wissenschaftler. Die Messflüge wurden mit dem Forschungsflugzeug HALO durchgeführt.

Über AirLIF

AirLIF ist das OH-Radikal-Messinstrument des Forschungszentrums Jülich. Ebenso wie das Instrument des Mainzer Max-Planck Instituts weist es die reaktionsfreudigen Moleküle mithilfe Laser-Induzierter Fluoreszenz mit hoher Empfindlichkeit nach. Für den Einsatz der Instrumente auf HALO wurden wichtige Komponenten in Kooperation zwischen den beiden Atmosphärenforschungsinstituten entwickelt. Aus Jülich stammt der spezielle Lufteinlass, der einströmende Luft abbremst und kontaminationsfrei sammelt. Der Einlass wurde gemeinsam mit dem Jülicher Zentralinstitut für Engineering und Technologie entwickelt und dort gefertigt.

Lufteinlass des Jülicher OH-Radikal-Messinstruments (AirLIF) für den Einsatz auf dem Höhenforschungsflugzeug HALOLufteinlass des Jülicher OH-Radikal-Messinstruments (AirLIF) für den Einsatz auf dem Höhenforschungsflugzeug HALO
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Michael Schmitt

Über HALO

Das Forschungsflugzeug HALO ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. HALO wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft beschafft. Der Betrieb von HALO wird von der DFG, der Max-Planck-Gesellschaft, dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) getragen. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.

Weitere Informationen:

Webseite HALO

Webseite der Flugmission OMO

Institut für Energie- und Klimaforschung, Troposphäre (IEK-8)

Die Flugmission OMO am IEK-8

Originalpublikation: The South Asian monsoon – pollution pump and purifier
J. Lelieveld, E. Bourtsoukidis, C. Brühl, H. Fischer, H. Fuchs, H. Harder, A. Hofzumahaus, F. Holland, D. Marno, M. Neumaier, A. Pozzer, H. Schlager, J. Williams, A. Zahn, H. Ziereis
Science, 14 June 2018, DOI: 10.1126/science.aar2501

Ansprechpartner:

PD Dr. Andreas Hofzumahaus
Institut für Energie- und Klimaforschung, Troposphäre (IEK-8)
Tel.: +49 2461 61-3239
E-Mail: a.hofzumahaus@fz-juelich.de

Dr. Frank Holland
Institut für Energie- und Klimaforschung, Troposphäre (IEK-8)
Tel.: +49 2461 61-6078
E-Mail: f.hollands@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Pressereferentin
Tel.: +49 2461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de