Wenn ich im Januar 2025 mit meinem Forschungsteam in Richtung Nordatlantik aufbreche, werden wir nicht auf der Suche nach Meeresorganismen sein. Wir werden auch nicht zum Ozeanboden tauchen oder das Wasser analysieren. Stattdessen richten wir den Blick nach oben: Mit einem neuen, tragbaren meteorologischen Observatorium messen wir verschiedenste Eigenschaften und Bestandteile der Atmosphäre – Strömungen, Temperaturen, Zusammensetzung und vieles mehr. Denn wir sind auf der Suche nach mineralischen Partikeln aus Nordafrika: Wüstenstaub.

Stürme tragen ihn in der Sahara und dem Sahel auf natürliche Weise in die Atmosphäre ein, von Nordafrika aus transportieren ihn Winde in andere Regionen. Größere Staubausbrüche bringen regelmäßig Wüstenstaub nach Europa, bis nach Deutschland, vor allem im Frühjahr. Unter anderen meteorologischen Bedingungen kann er gar über die gesamte Breite des Atlantiks reisen. Während die düngenden Mineralstoffe etwa für den Regenwald im Amazonas positiv wirken, kann der Staub andererseits der menschlichen Gesundheit schaden.

Fein verteilte Wüstenstaubpartikel in der Atmosphäre zählen zu den Aerosolen. Das sind kleinste Schwebteilchen in der Luft, die Wetter und Klima auf der Erde entscheidend beeinflussen. Wüstenstaub macht davon den größten Anteil aus, doch darüber hinaus gibt es noch etliche weitere: Vulkanasche, Pollen, Ruß, Sulfat, Nitrat und viele mehr. Manche von ihnen entstehen auf natürliche Weise, andere gelangen durch menschliche Aktivitäten in die Luft (siehe »Was wärmt, was kühlt?«). Gemeinsam ist ihnen, dass sie die Zusammensetzung und Physik der Atmosphäre auf komplexe Weise beeinflussen. Ohne die unscheinbaren Staubteilchen, die sich überall um uns herum in der Luft befinden, wäre unsere Welt eine andere. Es gäbe keine Wolken. Und es wäre bedeutend wärmer. Doch obwohl sie eine so große Wirkung haben, ist ihre Rolle im Klimasystem bis heute nicht komplett entschlüsselt.

Tatsächlich sind die mysteriösen Teilchen einer der größten Unsicherheitsfaktoren in Klimasimulationen. Zu verstehen, wie sich die vielfältigen Staubteilchen und das Erdklima gegenseitig beeinflussen, ist daher ausschlaggebend, um Szenarien für unsere Zukunft realistischer zu modellieren, Vorhersagen zu treffen und die richtigen Maßnahmen in die Wege zu leiten. Und nicht zuletzt, um Verfahren des Geoengineerings zu bewerten, die sich die kühlende Wirkung der kleinen Partikel zu Nutze machen wollen.

Spätestens seit der Coronapandemie sind Aerosole vielen Menschen ein Begriff: in Form kleinster virushaltiger Tröpfchen in der Atemluft. Der Begriff umfasst jedoch noch wesentlich mehr Arten von ihnen. In der Atmosphäre sind das vor allem Kleinstpartikel und deren Vorläufersubstanzen. Pollen wird etwa in der Wettervorhersage saisonal viel Aufmerksamkeit zuteil. Die Klimaforschung hingegen interessiert sich in erster Linie für chemische Stoffe, die wir Menschen durch unser Handeln freisetzen. Dazu zählen unter anderem Schwefeldioxid (SO₂), woraus sich Sulfatpartikel bilden, sowie Rußteilchen, die durch Verbrennung direkt in die Luft gelangen. Sulfat und Ruß beeinflussen das Klima über ähnliche physikalische Prozesse, jedoch mit höchst unterschiedlichen Auswirkungen.

Warum manche Aerosole kühlen und manche erwärmen

Aerosole streuen und absorbieren einfallende Sonnenstrahlung. Sulfat lenkt das Sonnenlicht ab – das kühlt das Klima, weil in Erdbodennähe weniger Strahlung ankommt. Rußpartikel absorbieren im Gegensatz dazu mehr Licht, als sie streuen. Dadurch erwärmt sich die Luftschicht, in der sie vorhanden sind. Damit ist aber noch nicht Schluss: Die so herbeigeführten Temperaturunterschiede wirken sich wiederum auf dynamische Prozesse aus, etwa indem sie die Schichtung in der unteren Atmosphäre verändern. Solche Mechanismen beeinflussen die Wolkenbildung.

Außerdem spielen die Kleinstpartikel eine Rolle für die Prozesse, die in den Wolken selbst ablaufen. Diese Vorgänge wirken sich auf die Form sowie die Lebensdauer von Wolken aus – und somit, wo und wann Niederschlag fällt. Damit Wolken in der Atmosphäre entstehen, müssen dort (neben ausreichend Luftfeuchtigkeit und dynamischen Voraussetzungen) Aerosole vorhanden sein. Nur an den Kondensationskeimen können sich Wolkentröpfchen oder Wolkeneis bilden. Je nach ihrer chemischen Zusammensetzung und Temperatur eignen sich verschiedene Staubteilchen unterschiedlich gut als solche Keime.

Gelangen nun durch den Menschen zusätzliche Kleinstpartikel in die Luft, kann sich der dort enthaltene Wasserdampf über eine größere Anzahl dieser Keime verteilen. Bei gleichem Wasserdampfgehalt in der Luft sind die Wolkentröpfchen dann kleiner. Dadurch wird wiederum mehr Sonnenlicht gestreut, was regional kühlend wirkt – ein Effekt, der nach dem Physiker Sean Twomey (1927–2012) benannt ist. Er beruht darauf, dass kleinere Wolkentröpfchen Sonnenstrahlung stärker zurückwerfen. Vereinfacht gesagt erscheinen die Wolken durch die zusätzlichen Aerosole heller.

Mehr Aerosole, mehr Wolken

Die direkte Streuung von Sonnenlicht durch die Schwebeteilchen sowie ihre Wirkung auf Wolken werden auch im Rahmen des so genannten Geoengineering theoretisch untersucht, unter anderem durch Klimamodellsimulationen. Die grundlegende Idee ist, geeignete Partikel in die Atmosphäre einzubringen. Dadurch würde mehr Sonnenlicht ins Weltall zurückgestreut. Platziert man die Partikel gezielt, könnten sich theoretisch kleinere Wolkentröpfchen bilden, so dass die Wolken mehr Sonnenstrahlung ins Weltall zurückwerfen. Das könnte der menschenverursachten Klimaerwärmung durch Treibhausgase regional entgegenwirken.

Fachleute diskutieren weitere mögliche Auswirkungen von anthropogenen Aerosolen auf den Lebenszyklus der Wolken. So vermutet man etwa, dass diese auf Grund der kleineren Tröpfchen länger leben, denn durch sie bleibt mehr Zeit, bis sich Niederschlag bildet und sich die Wolken auflösen. Dadurch können sich die Wolken in der Horizontalen oder Vertikalen weiter ausdehnen, man erhält also mehr Bedeckung oder höhere Wolken. Betrachtungen der atmosphärischen Dynamik sprechen dem entgegen: So vermischen sich die kleinen Wolkentröpfchen besser mit der Umgebungsluft und verdunsten dadurch.

Wenn man Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen betrachtet, muss man außerdem beachten, dass die kleinen Schwebeteilchen irgendwann wieder aus der Atmosphäre ausgewaschen werden. Das betrifft sowohl diejenigen, die als Keime in der Wolkenbildung aktiviert wurden, als auch solche, die sich unter den Wolken befinden und mit dem Regen auf die Erde fallen. Der Niederschlag reduziert zum einen die Menge der Partikel in der Luft, zum anderen transportiert er sie in ferne Ökosysteme. Das hat direkte Folgen: Sarahastaub etwa trägt Eisen mit sich, das Ökosysteme an Land und im Ozean düngen kann. So kann man nach Staubausbrüchen aus der Sahara farblich hervorstechende Algenblüten nahe der westafrikanischen Küste sehen. Staub aus der Sahara hat mitunter sogar einen düngenden Effekt im weit entfernten Amazonas-Regenwald, wenn die Winde ihn dorthin befördern. Wie stark er sich auf Ökosysteme auswirkt, ist jedoch noch nicht abschließend geklärt. Es ist nicht einmal sicher, wie viel Staubaerosol in die Luft gelangt – unter anderem deshalb, weil ganz unterschiedliche Prozesse zu Staubstürmen führen und sich nicht alle gut mit Wetter- und Klimamodellen simulieren lassen. Die physikalischen Vorgänge und biogeochemischen Auswirkungen von Staubstürmen sind somit spannende aktuelle Forschungsthemen.

Angesichts dieser vielen offenen Fragen arbeite ich mit meinem Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern daran, besser zu verstehen, wie sich Aerosole und Klima gegenseitig beeinflussen. Dazu nutzen wir einerseits Beobachtungsdaten von unterschiedlichen Sensoren auf verschiedenen Messplattformen, beispielsweise Satelliten und Bodenstationen, andererseits ziehen wir Computermodelle heran, um die Wechselwirkungen mit physikalischen Prozessen in der Atmosphäre genauer zu erkunden.

Ozeanexpeditionen für Wüstenstaub

Bei der eingangs erwähnten Expedition in den Nordatlantik etwa führen wir mit Laserlicht optische Messungen in der Atmosphäre durch. Aus der zurückgestreuten Laserstrahlung können wir Rückschlüsse auf Windgeschwindigkeit und -richtung, Partikelgrößen sowie die Höhen von Wolken ziehen. Zusätzlich nutzen wir Apparaturen, die meteorologische Eigenschaften anhand klassischer Verfahren wie Temperatur- und Druckmessungen ermitteln, ähnlich wie sie nationale Wetterdienste standardmäßig an Land betreiben.

Obwohl Wüstenstaub in großen Mengen vorkommt und er physikalische und biogeochemische Prozesse weitreichend beeinflusst, wissen Fachleute nicht viel darüber, wie sich Wüstenstaubaerosole langfristig verändern. Denn zum einen gibt es in den unbewohnten Wüsten- und Ozeanregionen nur wenige bodengebundene Messungen, zum anderen sind die Staubprognosen in Wetter- und Klimamodellen noch sehr unsicher. Man braucht daher schiffsgestützte Messungen wie unsere, um Daten aus Satellitenbeobachtungen sowie den Modellen zu bewerten. Auf dieser Grundlage lässt sich dann wiederum die Simulation der Prozesse verbessern.

Vielschichtiger Einfluss auf die Wolken

In welchem Maß die Staubteilchen die ankommende Sonnenstrahlung beeinflussen und wie sie mit Wolken wechselwirken, ist noch nicht genau geklärt – trotz jahrzehntelanger Forschung. Der Weltklimarat (IPCC) bewertet den Einfluss des Menschen auf das globale Klima, indem er die Änderung des Strahlungsbudgets am Oberrand der Atmosphäre ermittelt, den so genannten Strahlungsantrieb. Er gibt an, wie sich die Energiebilanz der Erde ändert: Negative Strahlungsantriebe kühlen die Atmosphäre ab, positive erwärmen sie. Mit Klimasimulationen lassen sich die Strahlungsantriebe von Aerosolen, Treibhausgasen und anderen menschenverursachten Änderungen berechnen. Das liefert ein Maß dafür, wie und wie stark diese Komponente zum Klimawandel beiträgt. Allerdings kommen die verschiedenen Klimamodelle, die es auf der Welt gibt, bei solchen Rechnungen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Dass der Strahlungsantrieb der Treibhausgase die Atmosphäre erwärmt, ist eindeutig klar. Die vom Menschen eingebrachten Partikel wirken zusammengenommen und global gesehen kühlend und somit dem Effekt durch Treibhausgase entgegen. Wie groß ihr Strahlungsantrieb jedoch genau ist, bleibt bis heute eine der größten Unsicherheiten im Verständnis des Klimawandels.

Im jüngsten Sachstandsbericht des Weltklimarats führen die einzelnen Klimamodelle dabei zu unterschiedlichen Ergebnissen. Wie wir herausgefunden haben, liegt das beispielsweise daran, dass die Modelle die optischen Eigenschaften für die simulierten Partikel unterschiedlich beschreiben. Manche Klimamodelle simulieren zu viel Absorption von Sonnenlicht durch anthropogenen Feinstaub, sie unterschätzen also den kühlenden Effekt, so dass die ermittelten Werte nicht mit den Beobachtungswerten vereinbar sind. Das lässt sich korrigieren. Andere Klimamodelle wiederum haben den Anteil natürlicher Staubteilchen an der Absorption von Sonnenlicht nicht ausreichend berücksichtigt – dadurch spielen Partikel wie mineralischer Staub aus Wüsten, die in großer Zahl vorkommen, in diesen Modellen nur eine vergleichsweise kleine Rolle. Beides hat dieselbe Folge: Einige Klimamodelle simulieren einen direkten Strahlungsantrieb für Aerosole, der nicht ausreichend negativ ist oder sogar positiv ausfällt. Anders gesagt kühlen die vom Menschen eingebrachten Staubpartikel durch die Wechselwirkung mit Strahlung laut einigen Modellen regional nicht so intensiv, wie man es auf Basis anderer Daten erwartet.

Noch weniger sicher ist, wie stark ihr Einfluss auf Wolken die Luft abkühlt. Denn es ist schwierig, die Wolken und die Dynamik der Atmosphäre in Klimamodellen so gut zu simulieren, dass man die Wechselwirkung mit den Staubteilchen vollständig darstellen kann. Selbst wenn Klimamodelle für die Partikel identische Eigenschaften zu Grunde legten, fanden wir Abweichungen in deren Strahlungsantrieb, denn die simulierten Wolken reagieren verschieden auf die Aerosole und unterscheiden sich von Region zu Region. Zum einen besitzen Wolken örtlich wechselnde Eigenschaften, beispielsweise haben solche in einem Tiefdruckgebiet eine andere Gestalt und unterliegen anderen dynamischen Prozessen als Schönwetterwolken über tropischen Gewässern. Zum anderen simulieren die Modelle die Wolkenarten nicht auf ganz gleiche Weise. Zusammengenommen entstehen regionale Effekte durch die Kleinstpartikel auf die Sonnenstrahlung, die Wolken und somit auf das regionale Klima, die zwischen den Modellen deutlich variieren können. Das zu wissen, ist besonders wichtig, um abzuschätzen, wie sich das regionale Klima künftig entwickeln wird. Denn sowohl die Menge als auch der Ort der Emissionen ändern sich zusätzlich über die Zeit. Und das hat direkte Folgen für Wettermuster.

Wie Wüstenstaub mit Monsun und Ozeanzirkulation zusammenhängt

Menschen setzten Feinstaub und seine Vorläufersubstanzen in den 1970er Jahren global gesehen vor allem in Europa und Nordamerika frei. Heute liegt der Hotspot dafür hingegen im asiatischen Raum. Die Zunahme und die Verlagerung der größten Emissionen wirkten sich unterschiedlich auf das regionale Klima aus. Wie Klimasimulationen gezeigt haben, beeinflussten die veränderten Verteilungen sogar großskalige Niederschlagsmuster wie Monsunsysteme. So herrschte etwa während der 1970er und 1980er Jahre im Sahel eine jahrelange Dürre, die in den Jahrzehnten darauf endete. Solche Zusammenhänge werfen die Frage auf, wie zukünftige Aerosolverteilungen Niederschläge beeinflussen werden.

Regional unterschiedliche Feinstaubmengen verändern selbst die Ozeanzirkulation. Wie wir in unseren Simulationen mit dem Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM) gesehen haben, hat die Ozeanzirkulation im Nordatlantik auf die Verlagerung der Feinstaubemissionen von Nordamerika und Europa nach Asien reagiert. Diese trug nämlich dazu bei, dass der Nordatlantik mehr Wärme in die Arktis transportierte. Außerdem begünstigte sie die Entstehung des »Warming Hole«, einer Anomalie im Nordatlantik. Diese Region heizt sich nicht so stark auf wie andere Gegenden auf der Welt. Wir haben in den Simulationen gezeigt, dass sich durch die Aerosole der Energietransport im Atlantik verändert, so dass der Bereich des »Warming Hole« Wärme verliert und sich abkühlt (siehe »Aerosole und die Ozeanzirkulation«). Die Partikel beeinflussen somit physikalische Prozesse in der Atmosphäre und im Ozean, die klassischerweise nicht mit deren Auswirkungen auf das Klima in Verbindung gebracht wurden.

Auch in Zukunft werden sich die Feinstaubemissionen regional und global verändern. Annahmen darüber fließen in Berechnungen mit ein, wie sich das künftige Klima entwickeln könnte. Forscherinnen und Forscher ermitteln solche möglichen Zukunftsszenarien. Diese wiederum basieren auf Annahmen über die sozioökonomischen Entwicklungen vom gegenwärtigen Klima bis in das Jahr 2100. In den meisten Szenarien aus dem neuesten Sachstandsbericht des Weltklimarats von 2021 nimmt man an, dass künftig weniger Kleinstpartikel aus menschlichen Quellen in die Luft gelangen. Je nach Szenario sinken die Emissionen allerdings unterschiedlich rasch, so dass der Weltklimarat eine Bandbreite für deren zukünftige Entwicklung aufzeigt.

Stößt die Menschheit durch ihre Aktivitäten weniger Schmutzpartikel aus, wird es im globalen Mittel noch etwas wärmer, weil deren kühlender Effekt entfällt. Anders als Treibhausgase, die jahrhundertelang in der Luft überdauern, bleiben die meisten Schwebeteilchen nur Tage bis Wochen dort. Lediglich explosive Vulkanausbrüche sorgen dafür, dass sich Aerosole in hohen Atmosphärenschichten bilden. Sie können das Klima dadurch für einige Monate bis wenige Jahre kühlend beeinflussen. Gelangen weniger Partikel aus anthropogenen Quellen in die Luft, wirkt sich das somit rasch auf das Klima aus, während sich gleichzeitig die Luftqualität verbessert. Solch einen erwärmenden Effekt haben wir anhand von Klimamodellen für die Zeit der Lockdowns während der Coronapandemie simuliert, allerdings war er durch die nur leicht sauberere Luft im globalen Mittel recht klein.

Klimasimulationen betrachten auch, welche Konsequenzen zukünftige politische Entscheidungen – etwa zu Feinstaubgrenzwerten oder Luftreinhaltungsmaßnahmen – für das Klima haben werden. Neue Vergleichsstudien, die der Politik als Entscheidungsgrundlage dienen sollen, werden gerade geplant. Als eine Leiterin der Aerosol-Chemie-Modellvergleichsstudie entwerfe ich mit meinen Fachkolleginnen und -kollegen neue Simulationen für die derzeit komplexesten Erdsystemmodelle. Diese simulieren nicht nur physikalische Prozesse an Land, im Ozean und in der Atmosphäre sowie deren Wechselwirkungen, sondern darüber hinaus weitere Kreisläufe, etwa die Emission, den Transport und die Ablagerung von Aerosolen. In diesem Rahmen berechnen wir auch Szenarien für die Zukunft, um die Wechselwirkungen zwischen der künftigen atmosphärischen Zusammensetzung, dem Klima und der Luftqualität besser zu verstehen.

Künftig in Heidelberg werden wir für unsere Forschung weiterhin auf eine Mischung aus Modellsimulationen und Messungen setzen. Beobachtungen allein können die physikalischen Zusammenhänge nicht entschlüsseln, weil sich beispielsweise Wolken gleichzeitig durch natürliche sowie anthropogene Bedingungen entwickeln. Unsere Messungen von Ozeanexpeditionen interpretieren wir deswegen anhand von Simulationen, mit denen wir Prozesse hochaufgelöst modellieren können. Dabei sind Methoden künstlicher Intelligenz für uns immer nützlicher. Wir haben etwa durch den Einsatz von KI bereits Informationen zum Vorkommen von Wüstenstaubaerosolen vervollständigt, die in Satellitenbildern fehlen, weil sie unterhalb von lichtundurchlässigen Wolken liegen und somit vom Weltall nicht sichtbar sind. So helfen uns neue Technologien dabei, die Wechselwirkungen zwischen Kleinstpartikeln in der Atmosphäre und dem Klima eingehender und auf anderen Wegen zu untersuchen, als es bisher möglich war.