Am 6. November startete die 27. Weltklimakonferenz in Scharm El-Scheich in Ägypten – zu einem Zeitpunkt, an dem die menschengemachte Erderwärmung weiter voranschreitet. Noch wird versucht, das vereinbarte 1,5-Grad-Ziel zu erreichen. Weniger Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre zu entlassen, ist die wichtigste Gegenmaßnahme. Aber es gibt noch eine weitere Stellschraube: kurzlebige klimawirksame Stoffe wie Methan, Ruß und Ozon. Auch sie sind Teil des großen Ganzen. Werden diese Stoffe reduziert, könnte die Erwärmung um etwa 0,8 Grad Celsius verringert werden. Die Jülicher Atmosphärenforscherin Prof. Astrid Kiendler-Scharr hat als Leitautorin das Kapitel zu kurzlebigen Klimaschadstoffen im aktuellen Bericht des Weltklimarats betreut.
Im August 2021 veröffentlichte der Weltklimarat (IPCC) den ersten Teil seines neuen Sachstandsberichts. Das Fazit ist eindeutig: Der Klimawandel schreitet rasch voran. Und jede Region der Erde ist schon jetzt davon betroffen. Ohne sofortige und umfassende Gegenmaßnahmen wird sich unsere Atmosphäre wahrscheinlich in den kommenden 20 Jahren auf 1,5 Grad Celsius über vorindustrieller Temperatur erwärmen. Die Folgen von aktuell plus 1,1 Grad zeigen sich schon jetzt in Wetterextremen wie Hitzewellen, Dürren oder Starkregen.
Oberstes Gebot ist daher eine rasche CO2-Neutralität. Denn die Temperaturen steigen kontinuierlich mit der seit vorindustrieller Zeit emittierten Menge von CO2 in unsere Atmosphäre an. CO2 ist ein sehr langlebiger Stoff. Jede Gigatonne, die wir heute in die Luft entlassen, wird über Hunderte von Jahren dort verweilen und dem Klima entsprechend lange einheizen.
Aber es gibt noch eine andere Stellschraube, um die Fieberkurve der Erde zusätzlich – und vor allem schneller – abzuflachen: das Einsparen kurzlebiger, klimawirksamer Stoffe. Sie bleiben nur wenige Stunden bis maximal rund zehn Jahre in der Atmosphäre. Dazu zählen Methan, Ozon, Kohlenwasserstoffe, Aerosole, halogenierte Verbindungen und Ruß. In der Summe tragen diese Stoffe in gleicher Größenordnung zur Erderwärmung bei wie CO2. Durch ihre umfassende Reduktion ließe sich zügig weitere Erwärmung vermeiden, nämlich um 0,8 Grad bis zum Ende des Jahrhunderts, so das Fazit des IPCC im Sachstandsbericht.
Kurzlebige klimawirksame Stoffe einsparen
Maßnahmen zum Einsparen von kurzlebigen klimawirksamen Stoffen sind bereits heute verfügbar: Partikelfilter, konsequenter Umstieg auf moderne Wärmetechnik und erneuerbare Energien, Dämmen von Gebäuden, Reparatur von Gaslecks, Sparen von Strom, reduzierter Fleisch- und Milchkonsum und Nutzen von öffentlichen und alternativen Verkehrsmitteln. Um das Ziel von 1,5 Grad Celsius einzuhalten, müssten mit der flächendeckenden Umsetzung der Maßnahmen bis 2030 40 Prozent weniger Methan und 70 Prozent weniger Ruß ausgestoßen werden im Vergleich zu 2010 und halogenierte Kohlenwasserstoffe müssten bis 2050 um 90 Prozent reduziert werden.
Viele kurzlebige klimawirksame Stoffe beeinträchtigen massiv die Luftqualität und damit die Gesundheit von Mensch und Natur. Sie verursachen unter anderem Herz-Kreislauf-Krankheiten, Asthma oder Lungenkrebs und werden in Zusammenhang mit Schlaganfällen und Demenzerkrankungen gebracht. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass durch Luftverschmutzung pro Jahr 7 Millionen Menschen vorzeitig versterben. Zudem schädigt beispielsweise Ozon Pflanzen auf vielfältige Weise und verursacht jährliche Ernteverluste in Höhe von 50 Millionen Tonnen.
Jülicher Forschende haben wichtige Informationen zu dem Bericht beigesteuert: Daten, die sie in umfangreichen Messkampagnen sammelten. Bislang unbekannte Reaktionswege, die sie durch aufwendige Berechnungen entdeckten. Neue und verbesserte globale Klimamodelle, in die ihre Erkenntnisse über die komplexe Welt der Atmosphärenchemie einflossen. Gerade diese Komplexität macht es aber schwierig, verlässliche Aussagen zu treffen. Denn über verschiedene Reaktionen und Prozesse in der Atmosphäre hängen viele Stoffe voneinander ab und beeinflussen sich gegenseitig. Drei Beispiele zeigen, was es alles zu beachten gilt.
TREND ODER SCHWANKUNG?
„Ein guter Beleg dafür, wie stark sich einzelne Stoffe und Prozesse gegenseitig beeinflussen ist Ozon, das nach CO2 und Methan wichtigste anthropogene Treibhausgas“, sagt Prof. Andreas Petzold vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-8). Das fängt mit der Entstehung an: Das Spurengas wird nicht direkt emittiert, sondern entsteht in den unteren Regionen der Atmosphäre durch den photochemischen Abbau von Kohlenwasserstoffen, die aus dem Straßenverkehr, aber auch aus der Industrie und von Pflanzen stammen.
Petzold und sein Team sammeln seit Jahrzehnten Daten zu vielen verschiedenen Stoffen in der Atmosphäre. Er koordiniert das europäische Projekt IAGOS – kurz für „In-service Aircraft for a Global Observing System“. Die Geräte der beteiligten Einrichtungen reisen seit fast 30 Jahren mit kommerziellen Linienflugzeugen rund um die Welt. Während des Fluges messen sie kurzlebige Treibhausgase wie Ozon, Wasserdampf und Methan, Spurengase wie Kohlenmonoxid und Stickoxide sowie Feinstaub, Eis und Wolkenteilchen, aber auch das langlebige Kohlendioxid.
„Durch diese langjährigen Messreihen können wir langfristige Trends von kurzfristigen Schwankungen unterscheiden und Zusammenhänge im komplexen Klimageschehen verstehen“, sagt Petzold. Die Daten zeigen zum Beispiel, dass sich die jahreszeitlichen Spitzenwerte beim Ozon in der unteren Atmosphäre verschieben. „Sie treten immer früher im Jahr auf“, erläutert der Jülicher Forscher. Diesen Trend schreiben die Forschenden dem Klimawandel zu: „Es wird früher im Jahr wärmer und es gibt mehr Sonnenstunden“, erklärt er. „Beides begünstigt die Ozonbildung: Die höhere Temperatur kurbelt alle Prozesse der Ozonbildung an, das UV-Licht liefert die Energie dafür.“
MEHR OZON DURCH STILLSTAND
Ein weiterer wichtiger Zusammenhang zeigte sich während des Lockdowns in der Coronapandemie. In den besonders vom wirtschaftlichen Stillstand betroffenen Monaten März, April und Mai 2020 stiegen die Ozonwerte in Bodennähe nachts um bis zu 41 Prozent und tagsüber um bis zu 19 Prozent. „Durch den Lockdown gab es weniger Verkehrsabgase als Quelle für Ozon, doch gleichzeitig fehlte dem Ozon wohl ein anderer Stoff aus den Abgasen als Reaktionspartner: das Stickstoffmonoxid. Dadurch wurde weniger Ozon abgebaut und unter dem Strich stieg die Ozonkonzentration in den Ballungsgebieten leicht an“, analysiert Petzold. Dies sei ein wichtiger Hinweis darauf, dass kurzlebige Klimaschadstoffe sehr schnell auf Veränderungen reagieren, aber zugleich nur als Teile eines Gesamtsystems betrachtet werden können, so der Forscher. Und es bedeutet, dass infolge einer Verkehrswende erst einmal die Ozonwerte in den Städten steigen könnten. „Werden aber parallel die anderen starken Klimatreiber wie Methan und die Kohlenwasserstoffe reduziert, setzt nach rund 20 Jahren die Trendwende ein. Bis 2100 könnte so insgesamt 0,8 Grad Erderwärmung vermieden werden. Das zeigen die Berechnungen des IPCC“, sagt Petzold.
Noch komplexer wird es bei Aerosolen, einer weitverzweigten Familie von kurzlebigen klimawirksamen Stoffen. Sie sind ein Gemisch aus winzigen festen oder flüssigen Schwebeteilchen. Aerosole stammen von Emissionen aus dem Verbrennen von Biomasse, aus Abgasen, von Wüstenstaub oder der Meeresgischt. Sie können sich darüber hinaus durch chemische Reaktionen aus Stoffen bilden, die von Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben werden. „Generell gehen wir davon aus, dass Aerosole das Klima überwiegend kühlen, aber in der Klimaforschung sind Aerosole nach wie vor die großen Unbekannten. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge sind noch viele Fragen offen, etwa ob die Teilchen je nach Zusammensetzung die Sonnenstrahlung reflektieren oder absorbieren, ob sie wärmend oder kühlend wirken und inwieweit sie an der Wolkenbildung beteiligt sind“, sagt Dr. Alexandra Tsimpidi vom IEK-8. Sie hat es sich mit ihrem Team zur Aufgabe gemacht hat, organische Aerosole für die Klimaforschung berechenbarer zu machen.
Ein anspruchsvolles Ziel, wie etwa der Blick auf die Eigenschaften zeigt, die entscheiden, wie die Aerosole wirken: „Das fängt bei ihrem physikalischen Zustand, flüssig oder fest, an und reicht über die chemische Zusammensetzung bis hin zur Eigenschaft Wasser liebend oder Wasser abstoßend zu sein“, zählt Alexandra Tsimpidi auf. Und die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen beachten, dass Aerosole Lebenszyklen durchlaufen: „Sie werden oxidiert, lagern sich zusammen, brechen auseinander, nehmen auf ihrer Reise weitere Stoffe auf, reagieren mit ihnen, und verlieren andere. All das berücksichtigen bisherige Klimamodellen nur unzureichend“, so die Forscherin.
Den Jülicher Forschenden ist es aber gelungen, die grundlegenden Prozesse aufzudecken, die bestimmen, wie Aerosole entstehen und wachsen. Dazu führen sie Experimente in der Jülicher Atmosphärenkammer SAPHIR durch. Im riesigen Volumen der Kammer lassen sich verschiedenste Luftgemische nahezu natürlich nachbilden, von sauberer Waldluft bis zu stark belasteter Stadtluft. In diesen Szenarien analysieren Forschende dann, wie und aus welchen Vorläufern sich Aerosole bilden, wie sie altern, mit welchen weiteren Stoffen sie reagieren und ob sie als Wolkenkeime taugen. „Diese und weitere Erkenntnisse haben wir auf unsere globalen Modelle übertragen und können nun berechnen, wie sich Luftverschmutzung und natürliche Schwebstoffe auf die Luftqualität und das Klima auswirken. In anschließenden Simulationsrechnungen können wir dann Prognosen für verschiedene Zukunftsszenarien ableiten“, sagt Tsimpidi.
NATÜRLICHER WASCHGANG
Zu beachten sind aber nicht nur die Klimaschadstoffe, sondern auch Stoffe, die für deren chemischen Abbau sorgen. Ein bedeutender Stoff in der Atmosphärenchemie ist das OH-Radikal, auch bekannt als das „Waschmittel“ der Atmosphäre. Es hat die Fähigkeit, mit nahezu allen atmosphärischen Spuren- und Schadgasen zu reagieren. Je nach Stickoxidbelastung erzeugt oder zerstört es Ozonmoleküle, es zerlegt Verkehrsemissionen ebenso wie Methan, den Spitzenreiter unter den klimawirksamen Stoffen. „Um verlässliche Prognosen zu den kurzlebigen Klimaschadstoffen zu machen, kommt man daher am OH-Radikal nicht vorbei“, sagt Prof. Hendrik Fuchs vom IEK-8.
Auch hier gibt es immer wieder neue Einsichten über komplexe Zusammenhänge, die es dann in den Modellen zu berücksichtigen gilt. So ist es Jülicher Forschenden gelungen, Unstimmigkeiten zwischen Messergebnissen und Modellberechnungen aufzuklären und aufgrund ihrer Erkenntnisse die Vorhersagen globaler Modelle zu verbessern. Mit dem neuen Ansatz lassen sich nun die OH-Werte – und somit die Reinigungskapazität der Atmosphäre – konkreter berechnen.
Gefunden wurden die großen Unterschiede bei Kampagnen der Jülicher Forschenden zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Peking-Universität in China. Die gemessenen OH-Werte waren bis zu fünfmal höher als die Modellvorhersagen. Daraufhin haben die Forschenden ihre Modelle noch einmal überprüft und über möglicherweise fehlende Reaktionen nachgedacht.
Die Kombination aus Experimenten in der Jülicher Atmosphärenkammer SAPHIR und umfangreichen chemischen Berechnungen lüftete dann das Geheimnis der zusätzlichen OH-Radikale: „Isopren ist der Grund“, sagt Hendrik Fuchs und meint damit den bedeutendsten Kohlenwasserstoff, der von Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben wird. „Wenn andere Reaktionspartner nicht vorhanden sind – wie zum Beispiel Stickoxide aus dem Verkehr –, reagiert das OH-Radikal mit Isopren in einer zuvor nicht bekannten Kaskade von Reaktionen, an deren Ende erheblich mehr OH entsteht, als man dachte“, erklärt Fuchs. Sein Kollege Dr. Domenico Taraborrelli hat diese Erkenntnisse in das neue globale Modell für die Atmosphärenchemie gepackt, sodass Messwerte und Modellberechnungen nun übereinstimmen. Das neue Modell wurde verwendet, um zum Beispiel Daten von Messflügen mit dem Zeppelin NT über Europa auszuwerten. Dabei zeigte sich, dass es in bewaldeten Regionen erheblich mehr OH-Radikale gibt, als bisherige Modelle vorhergesagt hatten.
Die Messplattformen
Wald und Hitze
Einen Punkt, den Forschende in ihren Modellen ebenfalls berücksichtigen müssen, sind die Folgen des Klimawandels. Denn auch die wirken sich auf Stoffe und Atmosphärenchemie aus. Dr. Thorsten Hohaus vom IEK-8 untersucht das am Beispiel von Wäldern. „Bei Dürre- oder Hitzeperioden, wie wir sie 2018 und 2019 in Europa hatten, geraten Bäume unter Stress. Das bedeutet, die Emissionen von Wäldern ändern sich und das wiederum beeinflusst Prozesse mit den wichtigen Stoffen wie das OH-Radikal und Aerosole“, so der Jülicher Forscher. Er und seine Kolleginnen und Kollegen am IEK-8 untersuchen dazu Kiefern in einem klimatisierten Container, der an die Atmosphärenkammer SAPHIR angeschlossen ist. Ziel ist es, die Auswirkung auf die Aerosolbildung und -zusammensetzung auf Grund von typischen Stressbedingungen besser zu verstehen und welche möglichen Feedbackmechanismen sich daraus auf die Interaktion von Vegetation und Klima ergeben können.
DAS KLIMA DER ZUKUNFT
„Die Beispiele zeigen, wie wichtig jedes Detail in der Atmosphärenchemie ist. Je genauer wir verstehen, wie einzelne Stoffe zusammenhängen und welche Reaktionen miteinander verknüpft sind, desto zuverlässiger sind Prognosen für die Zukunft“, sagt Prof. Astrid Kiendler-Scharr, Direktorin am IEK-8 und Leitautorin des Kapitels des aktuellen IPCC-Berichts zu kurzlebigen klimawirksamen Stoffen. Daher sind die Daten, Erkenntnisse und Modelle der Jülicher Forschenden eine wichtige Basis für die Aussagen des IPCC.
„Durch die Erkenntnisse und die gestiegene Rechenpower von Computern können wir inzwischen Simulationen durchführen, mit denen wir zum Beispiel die Temperaturentwicklung der nächsten 80 bis 100 Jahre detailliert berechnen können. Genau das wurde auch für den IPPC Bericht gemacht“, so Astrid Kiendler-Scharr. Das Ergebnis: Verfährt die Menschheit einfach weiter wie bisher, wird der unverminderte Ausstoß kurzlebiger klimawirksamer Stoffe bis zum Jahr 2100 mit 0,8 Grad zum Temperaturanstieg beitragen. „Wenn wir nur die reflektierenden Aerosole aus dem System nehmen, kommt es zu einer leichten Erwärmung des Klimas. Die Wegnahme von Methan, Ruß und halogenierten Kohlenwasserstoffen führt hingegen zu einer Reduktion der Temperatur von rund 0,6 Grad. Fahren wir alle kurzlebigen klimawirksamen Stoffe herunter, ließen sich sogar 0,8 Grad einsparen“, fasst die Jülicher Forscherin zusammen.
Allerdings: Selbst wenn alle Auflagen sofort umgesetzt werden, würde es bis 2040 zunächst weiter wärmer, bevor ein nachhaltig kühlender Effekt einsetzt. Das habe mit den unterschiedlichen Lebenszyklen und Reaktionsprozessen der Stoffe zu tun: „Es dauert ein paar Jahre, bis sich schrittweise alle Einsparungen auswirken, aber die Modellrechnungen zeigen, es ist möglich“, betont Kiendler-Scharr. Jetzt sei es an der Politik, aus den Erkenntnissen Schlüsse zu ziehen und zu handeln.
Abgasreinigung mit giftigem Nebeneffekt
Was mit chemischen Verbindungen passiert, die nicht durch das OH-Radikal abgebaut werden, zeigen Untersuchungen von Dr. Domenico Taraborrelli (IEK-8): Sie landen aufgrund ihrer langen Lebensdauer in der oberen Troposphäre und sogar in die Stratosphäre, wo sie unter Umständen weitere chemische Prozesse anstoßen. Zum Beispiel Isocyansäure, die sich in hoher Konzentration in urbaner Luft befindet. Als Zellgift steht sie im Verdacht, entzündliche Prozesse im Körper zu verursachen – wie Herz-Kreislauferkrankungen oder Rheuma. Sie entsteht unter anderem aus Harnstoffverbindungen. Diese sorgen in der Abgasnachbehandlung von Dieselfahrzeugen dafür, dass bis zu 90 Prozent weniger Stickoxide ausgestoßen werden. Aber auch in Regionen mit einer hohen Rate an Biomasseverbrennung – Waldbränden oder Brandrodungen – entsteht viel Isocyansäure.
TEXT: BRIGITTE STAHL-BUSSE I BILDER: FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH/RALF-UWE LIMBACH, FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH/SASCHA KREKLAU, FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH/WILHELM PETER SCHNEIDER, DEUTSCHE LUFTHANSA, HONGLOUWAWA