Kleine Teilchen, große Wirkung

Wettervorhersagen basieren heute auf weit entwickelten Computermodellen, die dennoch viele wichtige Prozesse in der Atmosphäre noch nicht berücksichtigen - zum Beispiel Schwebeteilchen wie Staub, Pollen oder chemische Verbindungen. Solche so genannten Aerosole vermindern nicht nur die Sichtweite, sondern wirken sich auch auf die Temperaturverteilung in verschiedenen Höhenschichten aus; sie können miteinander reagieren und als Kondensationskeime zu Wolkenbildung und Niederschlag führen. In den etablierten Modellen der Wetterdienste fließen Aerosole jedoch allenfalls pauschal ein, weil sie einen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren.

„Wir betrachten die unterschiedlichen Aerosolpartikel nun viel eingehender und modellieren einen wichtigen Teil der Prozesse, vor allem auch die Wolkenbildung und deren Wechselwirkung mit der Strahlung“, erklärt Dr. Bernhard Vogel vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT. Er und seine Kollegen arbeiten seit rund fünf Jahren an COSMO-ART, einem Modul mit Maschenweiten von wenigen Kilometern, das sich an das Wettervorhersagemodell COSMO anschließen lässt, das vom Deutschen Wetterdienst DWD verwendet wird. Die Abkürzung ART steht für „Aerosol and Reactive Trace Gases“. COSMO wird nicht nur vom DWD, sondern inzwischen auch von vielen weiteren Wetterdiensten und Forschungseinrichtungen in Europa, Kanada, Russland und den Vereinigten Arabischen Emiraten genutzt, die ebenfalls am ART-Modul interessiert sind.

Denn Aerosole sind überall, sie streuen das Licht und verändern Transportprozesse zwischen den Luftschichten. Zu den natürlichen Aerosolen zählen Vulkanasche, Seesalz, Sandpartikel aus den Wüsten der Erde, Pflanzenpollen, Ausdünstungen von Wäldern oder Viehherden, dazu kommen anthropogene Aerosole wie Ruß, Stickoxide und Feinstaub aus Verkehr, Haushalten und Industrie. Manche Partikel sind nur wenige Nanometer dick, andere Schwebeteilchen messen einige hundertstel Millimeter im Durchmesser. „Wir berechnen die Konzentration von unterschiedlichen Aerosolen aus einem Satz an Anfangsdaten durch Ausbreitungsrechnungen“, sagt Vogel. So fließen Informationen über die Bebauung, Landwirtschaft, Bewaldung, Verkehrsfluss sowie natürliche und anthropogene Emissionen in das Modell ein. Die Modellierung selbst basiert auf dem Wissen über relevante physikalische Prozesse und chemische Reaktionen der unterschiedlichen Aerosoltypen.

Bisher haben die Atmosphärenforscher ihr Modell an vergangenen Zeitabschnitten getestet, um zu überprüfen, wie realistisch die Ergebnisse sind. Besonders interessant ist die Frage, wie die Aerosolkonzentration die Wolkenbildung und damit auch die Niederschlagsmenge beeinflusst. Das Modell zeigt zum Beispiel, wie hohe Aerosolkonzentrationen Regen zeitlich und räumlich verzögern können: Denn durch hohe Konzentrationen von Aerosolen bilden sich unzählige Kondensationskeime, auf die sich die gegebene Menge an Feuchtigkeit verteilt, so dass die Tröpfchen in der Schwebe bleiben. Sind dagegen nur wenige Aerosolpartikel vorhanden, bilden sich weniger, aber dafür größere Tropfen, die als Regen niedergehen.

Mit COSMO-ART lässt sich auch berechnen, wie sich Sandpartikel nach einem Sandsturm in der Sahara über Europa ausbreiten oder welche Wege die Asche nach einem Vulkanausbruch nimmt. Die berechneten Verläufe stimmen inzwischen immer besser mit Satellitenbildern überein, so dass sie schon bald zur Prognose verwendet werden können. Kurz vor der Anwendung steht jetzt die Pollenvorhersage für Allergiker, die zurzeit noch in mühevoller Handarbeit fast ohne Computerunterstützung erstellt wird. Der Deutsche Wetterdienst testet in Kooperation mit dem KIT gerade COSMO-ART mit einem Modul für Birkenpollen, in das die Standorte von Birkenwäldern eingeflossen sind; ein Modul für die gefährlichen Ambrosiapollen könnte folgen, sobald die Standorte der Pflanzen genauer bekannt sind. „Jetzt haben auch die Arabischen Emirate angefragt, die ein ART-Modul für die Staubprognose für die Luftfahrt nutzen wollen“, sagt Vogel.

Auch in die gängigen Klimamodelle auf regionaler Ebene sollen die ART-Module einfließen. Denn die Wechselwirkung zwischen Aerosolen und Wolkenbildung ist darin sehr schlecht abgebildet, unterschiedliche Studien kommen bislang zu widersprüchlichen Ergebnissen, wie sich hohe Aerosolkonzentrationen auf Klima und Niederschlag auswirken. „Wir möchten in zwei bis drei Jahren aus COSMO-ART ein regionales Klimamodell erstellen, in das Aerosole einfließen“, sagt Vogel. „Das ist ein wesentlicher Beitrag des KIT zur Helmholtz-Klimainiative REKLIM“, erklärt dazu Institutsleiter Professor Dr. Christoph Kottmeier. Und dann könnte man im Computer ausprobieren, wie sich strengere Grenzwerte für Feinstaub, bessere Filter oder die Abholzung ganzer Wälder auf das regionale Wettergeschehen und die langfristige Klimaentwicklung auswirken.