Aerosole und Wolken in verschmutzten Gebieten zeigen beschleunigtes Wachstum
Aerosole und Wolken sind entscheidende Faktoren im globalen Klimasystem, insbesondere hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Sonnenstrahlung zu reflektieren. Diese Eigenschaft hängt maßgeblich von der Wasseraufnahme der Partikel ab, der sogenannten Hygroskopizität. Bisherige Klimamodelle berücksichtigen diese Eigenschaft jedoch nur vereinfacht. Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) hat in einer umfassenden globalen Untersuchung nachgewiesen, dass die bestehenden Modelle insbesondere in urbanen Regionen nicht ausreichend genau sind.
Erhöhte Hygroskopizität in stark belasteten Regionen
In komplexen, chemisch belasteten Gebieten wie Delhi oder Kairo ist ein verstärktes hygroskopisches Wachstum der Aerosole und eine erhöhte Wasseraufnahme wahrscheinlich. Dies könnte zum Teil die beobachteten regionalen Abkühlungstrends beziehungsweise die vergleichsweise geringere Erwärmung auf den asiatischen und afrikanischen Kontinenten erklären, so die Autoren im Fachjournal Communications Earth & Environment der Nature-Verlagsgruppe.
Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt
Aerosolpartikel beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erde auf zwei Wegen: Sie reflektieren direkt Sonnenlicht und Wärmestrahlung und dienen zudem als Kondensationskeime für Wolken. Die Menge an Wasserdampf, die sich an den Partikeln anlagert, beeinflusst die Wolkenbildung maßgeblich. Die Hygroskopizität (κ) ist ein zentraler Parameter zur Berechnung des Strahlungsantriebs und trägt wesentlich zu den Unsicherheiten in Klimaprognosen bei. Trotz langjähriger Untersuchungen ist das hygroskopische Wachstum von Aerosolen unter untergesättigten Bedingungen weiterhin unzureichend charakterisiert, insbesondere in abgelegenen oder wenig untersuchten Regionen.
Methodik: Maschinelles Lernen zur Schätzung der Hygroskopizität
Zur Schließung dieser Wissenslücke entwickelten die Forschenden eine Methode auf Basis erklärbaren maschinellen Lernens (ML), um das größenabhängige κ in unterschiedlichen atmosphärischen Umgebungen zu bestimmen. Dabei wurden Beobachtungsdaten von zehn Standorten und Partikelgrößen zwischen 50 und 300 Nanometern integriert. Durch die Kombination von chemischer Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung und meteorologischen Daten konnte die Komplexität der Aerosol-Mischzustände erfasst und Datenlücken geschlossen werden.
Shravan Deshmukh vom TROPOS erläutert: „Im Unterschied zu früheren regionalen ML-Studien wurde unser Ansatz auf geografisch vielfältige und regional aufgelöste Datensätze ausgeweitet, was die Vorhersagegenauigkeit und Interpretierbarkeit deutlich verbessert.“ Die Datenbasis umfasst Hygroskopizitätsmessungen mit Hygroskopizitäts-Tandem-Differential-Mobilitäts-Analysatoren (HTDMA) an Bodenstationen auf mehreren Kontinenten und über einen Zeitraum von mehr als zehn Jahren, darunter Beijing, Kairo, Delhi, Houston, Paris und weitere Standorte.
Ergebnisse und Bedeutung für städtische Regionen
Die Analyse zeigte einen signifikanten Einfluss von extern gemischten Partikeln auf die Hygroskopizität, besonders in urbanen und besiedelten Gebieten, wo neue Emissionen mit gealterten Aerosolen interagieren. In stark verschmutzten Megastädten wie Kairo oder Delhi wachsen die Partikel vermutlich schneller und nehmen mehr Wasser auf, was die geringere Erwärmung dieser Regionen erklären könnte. Zudem hat dieses verstärkte Wachstum Auswirkungen auf die Luftqualität und die öffentliche Gesundheit, wie Drohnenmessungen in Delhi belegen.
Traditionelle Klimamodelle weisen in solchen Gebieten die größten Abweichungen auf, da sie von einer idealisierten internen Vermischung ausgehen und Variabilitäten in Partikelgröße und -quellen nicht ausreichend berücksichtigen. Die chemische Zusammensetzung der Aerosole spielt somit eine entscheidende Rolle. Bereits 2023 konnte das Forschungsteam zeigen, dass die globale Hygroskopizität im Wesentlichen vom Verhältnis organischer zu anorganischer Bestandteile abhängt.
Ausblick und Bedeutung für Klimamodelle
Prof. Mira Pöhlker vom TROPOS und der Universität Leipzig betont: „Unsere regionalen Schätzungen bieten eine verbesserte, datengestützte Darstellung der Aerosol-Hygroskopizität und ermöglichen genauere Berechnungen des negativen Strahlungsantriebs. Dies stellt eine Alternative zu bisherigen einheitlichen Parametrisierungen dar.“ Die Ergebnisse unterstreichen die Relevanz regional differenzierter Aerosolparameter zur Reduktion von Unsicherheiten in Klimamodellen der nächsten Generation. Die Anwendung dieser Schätzungen kann den regionalen direkten Strahlungsantrieb um bis zu ±0,1 Watt pro Quadratmeter verändern, was global signifikant ist.
Das Forschungsteam hofft, dass der entwickelte Algorithmus in globale Klimamodelle integriert wird, was sowohl die Größe als auch das Vorzeichen der Aerosol-Strahlungs-Wechselwirkungen verändern könnte und somit zu präziseren Klimavorhersagen beiträgt.
Beteiligte Forschungseinrichtungen
- Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Deutschland
- Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Barcelona, Spanien
- The Cyprus Institute, Nikosia, Zypern
- Centre National des Recherches Météorologiques (CNRM), Toulouse, Frankreich
- Aix-Marseille Université, Marseille, Frankreich
- Université Paris Cité und Univ Paris Est Créteil, Paris, Frankreich
- Indian Institute of Tropical Meteorology, Pune, Indien
- Indian Institute for Technology New Delhi (IIT-D), Neu-Delhi, Indien
- University of Surrey, Guildford, Vereinigtes Königreich
- Jinan University, Guangzhou, China
- Peking University, Beijing, China
- Spanish Ministry for Ecological Transition, Madrid, Spanien
- Spanish Research Council (IDAEA-CSIC), Barcelona, Spanien
- University of California Riverside, Riverside, USA
- Delft University of Technology (TU Delft), Delft, Niederlande
- Universität Leipzig, Leipzig, Deutschland
Weiterführende Informationen und Links
- Behind the paper: Regional aerosol hygroscopicity influences radiative forcing globally
- India is a global warming ‘hole,’ and scientists aren’t sure why (SCIENCE, 8 Apr 2025)
- Auswirkung von Aerosolpartikeln auf Wolken und Klima besser erfasst (Pressemitteilung, 21.11.2023)
- Drohnen mit preiswerten Sensoren zur Luftqualitätsüberwachung (Pressemitteilung, 13.02.2026)
- TROPOS-Team „Strahlungseffekte“
- TROPOS-Team „Partikelbildung und Mischung“
- TROPOS-Team „Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen“
- ACROSS Projekt (Atmospheric Chemistry of the Suburban Forest)
Kontaktinformationen der wissenschaftlichen Ansprechpartner
- Prof. Mira Pöhlker
Leiterin der Abteilung Atmosphärische Mikrophysik, TROPOS und Universität Leipzig
Tel.: +49-341-2717-7431
Profil - Shravan Deshmukh
Abteilung Atmosphärische Mikrophysik, TROPOS
Tel.: +49-341-2717-7435
Profil - Dr. Ajit Ahlawat
Juniorprofessor, TU Delft, Abteilung Civil Engineering & Geosciences, Atmospheric Remote Sensing
Tel.: +31-631168405
Profil - Tilo Arnhold
Öffentlichkeitsarbeit, TROPOS
Tel.: +49-341-2717-7189
Pressemitteilungen
Publikation
Deshmukh, S., Ferrer-Cid, P., Romshoo, B. et al. Regional aerosol
