Atmosphärenforschung: Zusammenspiel vieler Phänomene 

Dr. Christoph Kalicinsky, Physiker an der Bergischen Universität – © UniService Third Mission

Die Forschung findet interdisziplinär statt, darunter in der Atmosphärenchemie, die sich z. B. mit chemischen Prozessen in der Luft befasst, oder der Atmosphärenphysik, die u. a. den Strahlungshaushalt der Atmosphäre, die Dynamik oder auch die Wolkenphysik im Blick hat. Diese Prozesse betreffen unterschiedliche, ineinandergreifende Bereiche der Atmosphäre. Darüber hat sich Autor Uwe Blasse im Rahmen der lehrreichen Uni-Reihe „Transfergeschichten“ mit dem Physiker Dr. Christoph Kalicinski unterhalten

Der wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Atmosphären- und Umweltforschung an der Bergischen Universität, erklärt den Aufbau der Atmosphäre so: „Die einfachste Möglichkeit, die Atmosphäre in Schichten zu untergliedern ist die Temperatur. Die meisten Leute haben von den Schichten schon einmal gehört, also Troposphäre ist ihnen ein Begriff, auch Stratosphäre ist noch bekannt, die Mesosphäre und die Thermosphäre sind dann schon nicht mehr so geläufig. In der Troposphäre ist es so, dass es umso kälter wird, je weiter man nach oben kommt“, sagt Kalicinsky.

© Bergische Universität

Der Wissenschaftler weiter: „Das kennt jeder aus dem Urlaub, man sitzt unten am Berg in der Sonne und oben auf dem Gipfel liegt trotzdem noch Schnee. Der Grund ist, mit der Höhe nimmt der Druck ab und Luft, die aufsteigt, dehnt sich aus und wird dann kälter.“ In der darüber liegenden Schicht kehre sich der Temperaturgradient erst einmal wieder um, die Temperatur nehme zu. Diese Grenzen oder besser gesagt die Übergänge zwischen einzelnen Atmosphärenschichten bezeichne man als Pausen. „Die Tropopause ist also der Übergang zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre“, erklärt der Forscher.

„Dass es in der Stratosphäre dann wieder wärmer wird, hängt mit der Ozonschicht zusammen, weil dort UV-Strahlung absorbiert wird. Diese Schicht schützt uns dadurch vor dem für uns gefährlichen Teil der solaren UV-Strahlung, die sonst ungehindert auf die Erde gelangen würde und Folgen wie z. B. Hautkrebs mit sich bringen würde. Dieser Vorgang mit den Pausen setzt sich in den anderen Atmosphärenschichten fort, d.h. Schichten mit abnehmender und zunehmender Temperatur wechseln sich immer ab.“

Grenze zwischen der Troposphäre und Stratosphäre hat sich verschoben

Die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre hat sich aufgrund der Erderwärmung zwischen 1980 und 2020 verschoben. Das hat auch Auswirkungen auf den Menschen. „Die Tropopause hat sich in der Tat in diesem Zeitraum um ca. 200 Meter nach oben geschoben, also 50 Meter pro Dekade.“ Das belegt auch eine dem Forscher bekannte Studie. „Eine Veränderung der atmosphärischen Bedingungen kann vielfältige Einflüsse auf den Menschen haben“, sagt Kalicinsky, „insbesondere auf die Phänomene in der Troposphäre, denn solche veränderten Bedingungen können Effekte auf die Zirkulation bewirken. Eine solche Veränderung, wie beispielsweise die Verschiebung von Luftdrucksystemen, kann sich z. B. auf Großwetterlagen auswirken oder auf die Höhenbereiche, in denen vermehrt Turbulenzen auftreten.“

Dies wiederum könne Einfluss auf den Flugverkehr haben, der sich z. T. an der Lage der Tropopause orientiert.  Als Folge müssten Maschinen in anderen Höhen fliegen. Die große Herausforderung in dieser Art Forschung sei aber vor allem die Tatsache, dass man einzelne Phänomene nicht entkoppelt voneinander betrachten könne. Wärmere Luft in der Troposphäre, ein Hauptgrund für die Verschiebung der Tropopause, enthalte z. B. auch mehr Wasserdampf und das habe wiederum Einfluss auf Wetterlagen und auch auf die Strahlungsbilanz.

Ein Flugzeug beim Flug über der Wolkendecke – © Pixabay

Einzelne Puzzleteile ergeben ein Gesamtbild

Atmosphärenforschung ist als Grundlagenforschung unabdingbar für unser Verständnis des Wetters, des Klimas und der Luftqualität sowie zur Bewältigung globaler Herausforderungen wie dem Klimawandel. Der Forschungsumfang ist dementsprechend groß. „Es ist ein Zusammenspiel vieler Phänomene, die sich gegenseitig beeinflussen“, sagt Kalicinsky, „und weil es so vielfältig ist, lässt sich die Atmosphärenforschung in relativ viele Unterdisziplinen aufteilen. Wir hier an unserem Institut in Wuppertal betreiben sowohl Atmosphärenphysik, wo momentan unsere Schwerpunkte in Spurengastransport und -dynamik, Strahlungseigenschaften von Wolken und Partikeln sowie Temperaturmessungen in der oberen Atmosphäre liegen, als auch Atmosphärenchemie, die sich in großem Umfang mit Luftschadstoffen auseinandersetzt. Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind zwar sehr spezialisiert und beschäftigen sich z. B. rein mit der Dynamik oder der Wolkenphysik, aber es ist eine sehr interdisziplinäre Forschung.  Nur wenn man alle einzelnen Puzzleteile betrachtet, sieht man hinterher das Gesamtbild, weil man die einzelnen Prozesse nur schwer entkoppeln kann.“

Eine weitere Besonderheit der Forschung sei, dass man im Prinzip in seinem Experiment lebe und man als Forschender nicht direkt in dieses Experiment eingreifen könne, wie in einem Labor, man könne es nur beobachten.  

Wettervorhersagen werden immer genauer

Atmosphärenforschung trägt auch dazu bei, Wettermodellierung und somit   Vorhersagen zu verbessern, und die seien heute ziemlich genau. „Es kommt immer darauf an, für was, wo und für welchem Zeitraum die Vorhersage getroffen wird. Es ist einfacher, eine Prognose für die Tageshöchsttemperatur oder die niedrigste Tagestemperatur zu geben als z. B. für die Niederschlagsmenge.“ Die Vorhersagen des Deutsche Wetterdienstes (DWD) seien da schon ziemlich genau und der DWD gebe auch Werte über die Qualität der Vorhersage an.

„Bei den Temperaturvorhersagen für den Folgetag, da liegt die Vorhersagequalität bei über 90%. Generell gilt, je kürzer der Zeitraum ist, desto genauer ist eine Vorhersage.  Eine so hohe Vorhersagequalität ist sehr erfreulich, da das Wettergeschehen Einfluss auf die unterschiedlichsten Lebenssituationen hat. Auch bei unseren Messungen der Temperatur in 85 km Höhe ist das Wetter entscheidend. Diese Messungen sind nur möglich, wenn keine Wolken die Sicht verdecken“ Die Atmosphärenforschung trägt aber nicht nur zur Verbesserung von Wettermodellen bei, sondern sie hilft auch bei der Optimierung von Klimamodellen und Langzeitprognosen.

Dramatischen Wolkenspiel am Himmel – © Pixabay

Unsere Ozonschicht ist auf dem Weg der Erholung

Der Schutz der Ozonschicht war vor ein paar Jahren ein ständiges Thema in den Nachrichten. Das große mediale Interesse daran hat sich gelegt. Das Montrealer Abkommen zum schrittweisen Ausstieg insbesondere von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) verbietet seit 2010 deren Produktion weltweit. Aber wie sieht es denn mit unserer Ozonschicht heute aus? Dazu Kalicinsky: „Noch nicht so gut wie 1980, also vor der Entdeckung des Ozonlochs , aber sie ist auf dem Weg der Erholung. Man muss dazu sagen, das Ozonloch ist nicht kontinuierlich vorhanden, es bildet und schließt sich jedes Jahr aufs Neue. Es entsteht nur Ende des Winters und im Frühling und ist daher ein saisonales Phänomen. Aufgrund von Luftströmungen in der Stratosphäre bildet sich ein Wirbel aus und die Luftmassen im Bereich der Polregion sind dann in diesem Wirbel gefangen. Es gibt kaum Luftaustausch mit mittleren Breiten. Das ist im Prinzip wie in einem riesigen Reaktionskessel und darin wird dann das Ozon abgebaut. Da es sich um einen begrenzten Bereich in der Antarktis und Arktis handelt, spricht man dort auch von einem „Loch“, wobei der Ozonverlust in der Antarktis deutlich stärker ist als in der Arktis und man meist nur dort vom Phänomen des Ozonlochs spricht.“

Durch das Verbot der FCKW und anderer ozonabbauender Substanzen sei die Ozonschicht auf einem guten Weg. Die Prognosen sähen so aus, dass sich die Ozonschicht in den nächsten zwei Dekaden auf den Wert von 1980 erholen werde, in der Antarktis dauere der Prozess noch ca. zwei Dekaden länger. „Das weltweite Resultat des Verbots von FCKWs zeigt, dass man etwas erreichen kann, wenn man zusammenarbeitet. In diesem Punkt hat wirklich einmal die ganze Welt zusammengearbeitet. Etwas, das auch bei der Bekämpfung des Klimawandels notwendig und wünschenswert wäre. Wir müssen uns bewusst sein, wir alle haben nur diese eine Atmosphäre.“

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen aber auch, dass die Emissionen verbotener ozonabbauender Chemikalien wieder zunehmen, obwohl deren Produktion seit 2010 weltweit verboten ist. „Es gibt eine bekannte Studie dazu, die das untersucht hat. Für drei dieser Substanzen ist es so, dass sie während des Produktionsprozesses der Ersatzstoffe entstehen können.“

Ein Eisberg in der Arktis – © Pixabay

Darüber hinaus sei die illegale Nutzung von schädlichen Stoffen immer zu beachten, denn es gebe weltweit keine zentralen Emissionsmessungen, die einheitlich und überall durchgeführt werden, erklärt der Physiker. „Auch das Messen mit Messflugzeugen ist nicht überall erlaubt. Dazu braucht es dann Messgenehmigungen der einzelnen Länder. Von daher gibt es Lücken. Zudem beträgt die Lebensdauer dieser Stoffe oft über hundert Jahre und sie wurden z. B. in Kühlgeräten verbaut, von denen immer noch Restbestände vorhanden sind.“

Gase beeinflussen die Temperatur unserer Erde

Ähnlich den vom Menschen produzierten FCKWs, die den Ozonabbau verursachen, werden auch die Konzentrationen weiterer Gase, die die Temperatur des Erdsystems beeinflussen, durch menschliche Aktivitäten verändert. „CO₂ ist dafür das prominenteste Beispiel. Dann reden wir über fossile Brennstoffe. Methan ist ein weiteres bedeutendes Gas, z. B. aufgrund von Erdgas. Aber auch die Land- und Viehwirtschaft spielt dabei eine entscheidende Rolle. Da hat der Mensch einen großen Einfluss. Wir reden aber auch von Ersatzstoffen der FCKWs, die z. T. ein hohes Erwärmungspotential in bestimmten Regionen der Atmosphäre haben.

Sie greifen zwar nicht mehr die Ozonschicht an, sie tragen aber zur Temperaturerhöhung des Erdsystems bei, weil sie in den entsprechenden Strahlungsbereichen sehr aktiv sind und z. T. sogar ein größeres Aufheizungspotential als CO₂ haben. Diese Stoffe sind zwar von Nutzen, richten aber gleichzeitig wieder Schäden an. Daher musste der Kigali-Zusatz (Der „Kigali-Zusatz“ ist eine Änderung des Montrealer Protokolls, das 2016 in der ruandischen Hauptstadt Kigali beschlossen wurde und die weltweite Produktion und Nutzung von Fluorkohlenwasserstoffen (HFC) schrittweise reduzieren soll, Anm. d. Red.) sein, um die Ersatzstoffe wieder zu regulieren, aber diesmal nicht aufgrund ihrer ozonschädigenden Wirkung, sondern aufgrund ihrer Klimaschädlichkeit.“

Leider seien bei der Neueinführung eines Produktes oder Stoffes aufgrund des Zusammenspiels verschiedener Phänomene in der Atmosphäre nicht immer alle Neben- und Langzeitwirkungen vorhersehbar, erklärt Kalicinsky zum Schluss. „An dieser Stelle tritt die Bedeutung der Atmosphärenforschung in ihrer Interdisziplinarität wieder hervor, die dazu beitragen kann, Effekte aufzuzeigen und Maßnahmen zu bewerten.“

Uwe Blass

Dr. Christoph Kalicinsky – © UniService Third Mission

Über Priv.-Doz. Dr. Christoph Kalicinsky

Priv.-Doz. Dr. Christoph Kalicinsky forscht am Institut für Atmosphären- und Umweltforschung unter der Leitung von Prof. Dr.  Emma Järvinen in der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften.