Aerosole rund um den Nordpol untersucht Warum auch Wald zur Erwärmung der Arktis beiträgt

Wie tragen winzige Schwebstoffe in der Luft zur Erderwärmung bei? Um das besser zu verstehen, hat ein Forscherteam Proben in den nördlichsten Regionen der Erde analysiert und gezeigt, wie der Mensch, aber auch Umweltfaktoren die Aerosolkonzentration in der Luft beeinflussen. Aus den Ergebnissen sollen Maßnahmen gegen den Klimawandel abgeleitet werden.

Villigen/Schweiz – Auch wenn wir sie nicht sehen, sind sie da: die winzigen, in der Luft schwebenden Partikel, die seit der Corona-Pandemie jeder unter ihrem Fachbegriff „Aeorosole“ kennt. Nur, dass es sich dabei eben nicht nur um feinste Tröpfchen aus der Feuchte der Atemluft handelt, sondern z. B. auch um Feinstaub wie Ruß. Solche Aerosole spielen eine wichtige Rolle bei der Erwärmung und Abkühlung unseres Planeten, aber ihre Auswirkungen sind noch immer nicht vollständig geklärt.

Die winzigen Partikel können in der Natur vorkommen und stammen beispielsweise aus Vulkanen, Wäldern und Ozeanen. Oder sie entstehen durch menschliche Aktivitäten z. B. in der Industrie und durch die Nutzung fossiler Brennstoffe. Sie interagieren mit der Sonnenstrahlung, indem sie diese entweder in den Weltraum reflektieren und so die Temperatur der Erde senken, oder sie absorbieren die Sonnenstrahlung und erhöhen die Temperatur. Aerosole sind auch wesentlich für die Bildung von Wolken, die ebenfalls eine Rolle beim Klima des Planeten spielen, indem sie die Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückstrahlen oder die Abstrahlung der Erde wieder auf die Erde zurückwerfen. In der Arktis ist die Wolkenbildung besonders empfindlich in Bezug auf Aerosole.

Arktische Aerosolen als Blaupause für den Klimawandel

Um einen tieferen Einblick in diese Zusammenhänge zu gewinnen, haben sich Forscher des Forschungslabors für extreme Umweltbedingungen, das an der ETH Lausanne (EPFL) von Julia Schmale geleitet wird, und des Labors für Atmosphärenchemie am Paul-Scherrer-Institut (PSI) unter der Leitung von Imad El Haddad zusammengetan. Sie analysierten über mehrere Jahre Proben von acht Forschungsstationen, die die gesamte arktische Region abdecken.

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Die Arktis ist für das Verständnis des Klimawandels von entscheidender Bedeutung, da die Temperatur dort zwei- bis dreimal schneller ansteigt als auf dem Rest des Planeten. „Wenn wir wissen, welche Art von Aerosolen in verschiedenen Gebieten und zu verschiedenen Jahreszeiten vorhanden ist und welchen Ursprung und welche Zusammensetzung diese Aerosole haben, können wir besser verstehen, wie sie zum Klimawandel beitragen“, erklärt Laborleiterin Schmale. „Das wird uns auch helfen, gezieltere Maßnahmen zur Verringerung der Verschmutzung zu entwickeln.“

Der Mensch ist nicht immer der größte Luft-„Verschmutzer“

In einer ersten Studie untersuchten die Forscher gezielt organische Aerosole. Über diese Aerosole liegen bislang noch wenig Daten vor, obwohl sie nahezu 50 Prozent des gesamten Feinstaubs ausmachen. Die Wissenschaftler analysierten die chemische Zusammensetzung von Proben, die in der Arktis genommen wurden, und stellten fest: im Winter waren die meisten der Aerosole auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen. Sie führen dies auf den arktischen Dunst zurück, der jedes Jahr auftritt, wenn Emissionen aus der Ölförderung und dem Bergbau in Nordamerika, Osteuropa und Russland in die Arktis getragen werden und sich dort während des Winters festsetzen.

Für den Sommer hingegen ergab die Studie, dass die meisten organischen Aerosole aus natürlichen Quellen stammen. Das liegt daran, dass der Transport von menschengemachten (anthropogenen) Aerosolen aus den mittleren Breiten in die Arktis während der wärmeren Monate abnimmt und die Emissionsrate biogener Aerosole oder ihrer Vorläufer in den hohen Breiten ansteigt. „Wir haben nicht erwartet, dass wir so viele natürlich vorkommende organische Aerosole sehen würden“, sagt Schmale. „Diese Partikel stammen sowohl aus Wäldern als auch aus Phytoplankton, einem Mikroorganismus, der in den Ozeanen lebt. Hier sehen wir wohl eine Folge der globalen Erwärmung: In dem Maße, in dem sich die Wälder nach Norden ausdehnen und der Permafrostboden auftaut, können mehr organische Moleküle vom Land freigesetzt werden; und wenn sich das Meereis zurückzieht, ergibt sich mehr offener Ozean und somit Platz für mikrobielle Emissionen“, führt die Expertin aus.

Forschungsergebnisse sollen Maßnahmen gegen die Erderwärmung verbessern

In einer weiteren Studie verwendeten die Forscher der EPFL und des PSI die gleichen Proben, analysierten aber die Zusammensetzung und Herkunft aller Aerosole, also sowohl der organischen als auch der anorganischen. Unter den anorganischen Aerosolen fanden sie u. a. schwarzen Kohlenstoff, Sulfat und Meersalz. Besonders der schwarze Kohlenstoff weckte ihre Aufmerksamkeit, da bekannt ist, dass er die Sonnenstrahlung absorbiert und zur globalen Erwärmung beiträgt. „Wir wussten, dass der Ausstoß von schwarzem Kohlenstoff in Regionen mit Öl- und Gasförderanlagen hoch ist, aber wir hatten keine parallelen Messungen in der gesamten Arktis, um zu verstehen, wie groß ihr Einflussbereich ist“, sagt Schmale. „Dank der in dieser Studie gesammelten Daten waren wir in der Lage, die Konzentrationen und die Herkunft von schwarzem Kohlenstoff in jeder arktischen Region über das ganze Jahr hinweg zu kartieren und die am besten geeigneten Maßnahmen zu empfehlen.“

Für die Studie arbeiteten Forscher aus Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Indien, Italien, Kanada, Norwegen, Russland, Slowenien und den USA zusammen. Proben wurden an den folgenden Forschungsstationen entnommen:

• Alert, Kanada

• Baranova, Russland

• Gruvebadet, Norwegen

• Pallas, Finnland

• Tiksi, Russland

• Utqiagvik, USA

• Villum, Grönland

• Zeppelin, Norwegen

Originalpublikation:

V. Moschos, K. Dzepina, D. Bhattu, H. Lamkaddam, R. Casotto, K. R. Daellenbach, F. Canonaco, W. Aas, S. Becagli, G. Calzolai, K. Eleftheriadis, C. E. Moffett, J. Schnelle-Kreis, M. Severi, S. Sharma, H. Skov, M. Vestenius, W. Zhang, H. Hakola, H. Hellen, L. Huang, J. L. Jaffrezo, A. Massling, J. Nojgaard, T. Petaja, O. Popovicheva, R. J. Sheesley, R. Traversi, K. E. Yttri, J. Schmale, A. S. H. Prevot, U. Baltensperger, I. El Haddad: Equal abundance of summertime natural and wintertime anthropogenic Arctic organic aerosols, Nature Geoscience, 28. Februar 2022; DOI: 10.1038/s41561-021-00891-1

V. Moschos, J. K. Schmale, W. Aas, S. Becagli, G. Calzolai, K. Eleftheriadis, C. E. Moffett, J. Schnelle-Kreis, M. Severi, S. Sharma, H. Skov, M. Vestenius, W. Zhang, H. Hakola, H. Hellen, L. Huang, J. L. Jaffrezo, A. Massling, J. Nojgaard, T. Petaja, O. Popovicheva, R. J. Sheesley, R. Traversi, K. E. Yttri, A. S. H. Prevot, U. Baltensperger, I. El Haddad: Elucidating the present-day chemical composition, seasonality and source regions of climate-relevant aerosols across the Arctic land surface, Environmental Research Letters, 28. Februar 2022, DOI: 10.1088/1748-9326/ac444b

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