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Atmosphärenphysik: Dicke Luft am Nordpol

Nach der langen Polarnacht liegen oft graubraune Dunstschwaden über der Arktis. Woher kommen und wie entstehen sie? Mit einem neu entwickelten "Sternfotometer", das auch in den dunklen Wintermonaten Schwebstoffe in der Luft messen kann, ließ sich diese Frage jetzt endgültig klären. Anders als in mittleren Breiten scheint der Smog am Nordpol den Treibhauseffekt zu verstärken.


Keine Region auf unserem Planeten ist so entlegen und fern jeder menschlichen Zivilisation wie die Polargebiete. Nirgendwo sonst sollte also die Luft so rein und der Himmel so klar sein. Doch weit gefehlt! In jedem Frühjahr, wenn nach der langen Polarnacht die Sonne wieder über dem Horizont auftaucht, trüben graubraune bis schwärzliche Schleier die Atmosphäre in der Arktis und sorgen für eine Luftverschmutzung ähnlich der in den Industrieregionen Mitteleuropas. Woher kommt dieser so genannte Arctic Haze (arktische Dunst)?

Tatsächlich handelt es sich, wie man inzwischen weiß, um "gealterte" Luftschwebteilchen, fachsprachlich: Aerosole, die aus Industriegebieten mittlerer Breiten herantransportiert werden. Wann und wie das genau geschieht, konnte erst in den letzten Jahren endgültig geklärt werden, nachdem es gelungen war, die Konzentration dieser Partikel das ganze Jahr hindurch zu verfolgen. Ermöglicht wurde dies durch Messgeräte mit enorm gesteigerter Empfindlichkeit. Sie können selbst das schwache Leuchten einzelner Sterne noch für die Bestimmung der Aerosolkonzentration während der winterlichen Polarnacht ausnutzen. Davor waren die Messungen auf Tageslicht angewiesen und damit auf das Sommerhalbjahr beschränkt.

Bekannt ist das Phänomen der Schmutzschwaden über dem Nordpolargebiet schon seit den 1950er Jahren. Damals berichteten amerikanische Militärflieger, die regelmäßig das Wetter im amerikanischen Sektor der Arktis bis zum Pol erkundeten, über Dunstschwaden unbekannter Herkunft. Aus dieser Zeit stammt auch der Name Arctic Haze, den der Offizier Murry Mitchell jr. 1956 prägte. Russische Wissenschaftler maßen ab Mitte der 1950er Jahre gleichfalls eine saisonale Lufttrübung über der sibirischen Arktis. Doch die rätselhaften Beobachtungen wurden bald wieder vergessen, und die Aerosolforschung blieb weitere zwei Jahrzehnte ein vernachlässigtes Stiefkind der Atmosphärenphysik.

Das begann sich erst zu ändern, als Ende der 1960er Jahre die Schadstoff-belastung in den unteren Luftschichten, der bis zehn Kilometer Höhe reichenden Troposphäre, vor allem über Industriegebieten so stark zunahm, dass der Dunstschleier nicht nur zu sehen war, sondern auch gesundheitliche Schäden verursachte. In den Städten kam es zu ersten Fällen von Smog-Alarm, und die Luftverschmutzung wurde zunehmend als Umweltproblem erkannt.

Vor diesem Hintergrund befasste sich Glenn E. Shaw von der Universität von Alaska in Fairbanks ab 1972 auch wieder mit dem arktischen Dunst. Doch als Einzelkämpfer konnte er nur punktuelle Untersuchungen durchführen. Umfangreichere Daten lieferten erst die vier AGASP-Flugkampagnen (Arctic Gas and Aerosol Sampling Program, Programm zur Gewinnung arktischer Gas- und Aerosolproben; gasp heißt aber auch keuchen) zwischen 1982 und 1992. Auch sie ergaben aber lediglich regional begrenzte Momentaufnahmen.

In den Blickpunkt einer breiten Öffentlichkeit geriet die polare Atmosphäre, wenn auch nicht der arktische Dunst, schließlich 1985 durch eine andere Schreckensmeldung: die Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis. Sie bewies schlaglichtartig, dass die Luftverschmutzung kein lokales Phänomen der Industrieregionen ist und dass industrielle Emissionen verheerende Auswirkungen auf die Luftchemie selbst an weit entfernten Orten haben können. Diese Erkenntnis war so schockierend, dass sich auch das wissenschaftliche Interesse in den folgenden Jahren den Polarregionen zuwandte. Allerdings richtete es sich primär auf das Ozon. Dass an dessen Zerstörung ganz wesentlich Aerosole beteiligt sind – nämlich die Eispartikel der polaren Stratosphärenwolken –, sollte sich erst später zeigen.

Vorerst genossen die Schwebteilchen also weiterhin nur wenig Aufmerksamkeit. Messungen ihrer Konzentrationen in der Arktis blieben sporadisch und auf die Sommermonate beschränkt. Point Barrow in Alaska ist denn auch die einzige Forschungsstation, für die dank der Bemühungen von Shaw eine längere durchgängige Messreihe des Aerosols in hohen geografischen Breiten existiert – freilich nur unter Tageslichtbedingungen, also während der "warmen" Jahreszeit. Die Station liegt bei 71 Grad Nord und damit knapp jenseits des Polarkreises bei 66,5 Grad Nord. Die dort aufgenommene Messreihe reicht immerhin bis 1971 zurück.

In den 1980er Jahren alarmierte al-lerdings nicht nur das Ozonloch die Öffentlichkeit. Zugleich wuchs die Besorgnis über einen bedrohlichen Klimawandel, den der Mensch unabsichtlich auslösen könnte. Plausible Theorien und beobachtete Temperaturtrends legten nahe, dass anthropogene Treibhausgase wie Kohlendioxid eine globale Erwärmung verursachen könnten. Mit Computersimulationen suchten Wissenschaftler den Effekt zu quantifizieren. Der von ihnen vorhergesagte Temperaturanstieg erwies sich jedoch als zu hoch. Als Grund dafür, dass die tatsächliche Erwärmung geringer ausfiel als erwartet, wurden schließlich die Aerosole erkannt. Sie streuen einen Teil des Sonnenlichts ins Weltall zurück, bevor er den Erdboden erreicht, und wirken dadurch dem Treibhauseffekt entgegen (Spektrum der Wissenschaft 4/94, S. 46). Damit rückten die lange vernachlässigten Schwebteilchen endlich ins Zentrum der Atmosphärenforschung.

Hinzu kamen neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Kälteperioden und Vulkanausbrüchen. Der kälteste Sommer in den letzten 600 Jahren war der von 1601; als Ursache der Abkühlung wurde der Ausbruch des Huaynaputina in Peru ein Jahr zuvor erkannt. In ähnlicher Weise sorgten die heftigen Eruptionen des indonesischen Tambora im Jahre 1815 dafür, dass 1816 als das "Jahr ohne Sommer" in die Annalen einging. Beide Vulkane schleuderten große Mengen an Schwefelgasen in die Atmosphäre, aus denen sich Sulfat-Aerosole bildeten. Die Aschepartikel und Schwefelsäuretröpfchen des Tambora trübten fünf Jahre lang die gesamte Nordhemisphäre. Weil die Sonne nicht zu sehen war und der Weizen nicht reifte, kam es zu Hungersnöten. Solche Extrem-Ereignisse unterstrichen die Bedeutung, die den atmosphärischen Aerosolen für das Leben auf der Erde zukommt.

Auf Grund dieser neuen Einsichten begann das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) sofort nach der Gründung der deutschen Arktisstation "Carl Koldewey" auf Spitzbergen im März 1991 mit kontinuierlichen Messungen der Schwebteilchen über Ny-Ålesund. Das geschah zum einen nach dem Lidar-Prinzip (light detection and ranging). Dabei wird ein Laserstrahl in die Atmosphäre geschickt und das von Aerosolen reflektierte Licht registriert.

Ein schon vorhandenes Lidar-Gerät auf der Station "Carl Koldewey", mit dem bisher Ozon gemessen worden war, wurde mit einem zweiten Laser und einem neuen Detektor versehen, sodass sich damit auch die optischen Eigenschaften der Schwebteilchen im Höhenbereich zwischen zehn und vierzig Kilometern untersuchen ließen. Dort bilden sich bei tiefen Temperaturen die polaren Stratosphärenwolken, von denen man in-zwischen vermutete, dass sie eine wichtige Rolle bei der Zerstörung der Ozonschicht spielen.

Das Sonnenlicht bringt es an den Tag

Die Lidar-Messungen allein liefern aber keine Absolutwerte der Aerosolkonzen-tration, sondern lediglich Aussagen über ihre Höhenverteilung und chemische Zusammensetzung. Außerdem können sie die unterste Grenzschicht (einige hundert Meter), in der sich ein großer Teil des Aerosols befindet, nicht erfassen. Deshalb startete das AWI zusätzlich eine Messreihe des Gesamtaerosols mit Hilfe von Sonnenfotometern, welche die Streuung des Sonnenlichts an Schwebteilchen in der Atmosphäre registrieren. Beide Verfahren sind nötig, wenn man sich ein Bild von der Verteilung des Aerosols machen will: Lidar für Vertikalprofile, Fotometer für die Gesamtmenge innerhalb einer Luftsäule.

Dass es so lange dauerte, bis die Aerosole die gebührende Beachtung fanden, hatte einen weiteren Grund: Noch bis weit in die 1990er Jahre gab es keine standardisierten Messgeräte für ihre Untersuchung. Zwar hatte sich bereits in den 1960er Jahren die Halbleitertechnik so weit entwickelt, dass sie den Bau von Sonnenfotometern erlaubte. Aber wegen des zunächst geringen Interesses an der Aerosolforschung waren die gerätetechnischen Entwicklungen einiger Firmen im Sande verlaufen; ihre Produkte hatten keinen Markt gefunden.

In dieser Situation mussten die Wissenschaftler die benötigten Instrumente notgedrungen selbst anfertigen. So entwickelte eine Arbeitsgruppe um den Atmosphärenphysiker Ulrich Leiterer vom Aerologischen Observatorium Lindenberg (Brandenburg) im Jahre 1978 ein eigenes Sonnenfotometer. Es beruhte auf einem bis dahin unüblichen Messprinzip, bei dem die Sonne selbst in der Messblende abgebildet wird. Mit diesem Boden-Atmosphären-Spektrometer ließ sich sowohl die Intensität des direkten Sonnenlichts als auch die Strahldichte unterschiedlicher Oberflächen und des Himmels messen.

Ostdeutsche Polarforscher setzten zwei dieser Geräte 1984/85 erfolgreich für ein Strahlungsexperiment in der Antarktis ein. Sie untersuchten damit die ungestörte Aerosolverteilung, also den natürlichen Hintergrund, gegen den sich eventuelle jahreszeitliche Schwankungen der Teilchenkonzentration abheben. Außerdem ging es darum, Vergleichsdaten für die von Satelliten gewonnenen meteorologischen Messwerte zu erhalten.

Eine 1988 an der ehemaligen DDR-Forschungsstation "Georg Forster" auf dem antarktischen Kontinent begonnene kontinuierliche Messreihe wurde ab 1991 an der deutschen Südpolarstation "Neumayer" fortgesetzt. Ein weiteres Sonnenfotometer aus der Gruppe von Leiterer ging an die Station Koldewey auf Spitzbergen.

Ein solches Gerät ist im Grunde nichts anderes als ein Lichtmesser. Es wird direkt auf die Sonne gerichtet und nimmt die von dort einfallende Strahlung auf. Ein Rad mit verschiedenen Filtersystemen, das von Hand oder automatisch drehbar ist, lässt der Reihe nach nur jeweils Licht bestimmter Wellenlängen passieren, das dann auf einen Detektor trifft. Die "Bandbreite" reicht dabei von 350 bis 1065 Nanometern, also von der ultravioletten bis zur infraroten Strahlung. Damit erfasst das Gerät mehr als achtzig Prozent des Energieangebots der Sonne und vor allem auch jenen Bereich, der für das Leben auf der Erde der wichtigste ist: das sichtbare Spektrum.

Wie viel Licht einer bestimmten Wellenlänge am Außenrand der Atmosphäre ankommt, lässt sich über die so genannte Langley-Kalibrierung ermitteln, die im Hochgebirge durchgeführt wird. Auf die Erdoberfläche gelangt allerdings nur ein Teil dieses Lichts, der Rest wird ins All gestreut. Die Differenz zeigt die Reinheit oder Trübung der Atmosphäre an. Als Messgröße dient üblicherweise die "spektrale optische Dicke des Aerosols" oder kurz AOD (Aerosol Optical Depth), ein dimensionsloser Verhältniswert.

Ein Vulkan funkt dazwischen

Als sich die Forscher auf der Koldewey-Station jedoch ab 1991 mit ihrem Sonnenfotometer endlich daranmachten, die Ursache des arktischen Dunstes aufzuklären, brachte ein Naturereignis erst einmal alle ihre Pläne durcheinander. Es gelang ihnen gerade noch, im Sommer 1991 die normale Aerosolkonzentration über Spitzbergen zu messen. Dann brach der Vulkan Pinatubo auf den Philippinen aus und schleuderte gewaltige Mengen vor allem schwefelhaltiger Aerosole in die Atmosphäre. Das war Pech und Glück zugleich. Pech, weil der Ausbruch die normalen Verhältnisse störte und das interessierende Phänomen zunächst ein-mal unter einem viel stärkeren Signal begrub. Glück, weil er die Möglichkeit bot, an einem klar definierten, bestens dokumentierten und gut verstandenen Ereignis die Apparaturen zu testen.

Diesen Test bestanden sie glänzend. Mit den beiden Sonnenfotometern auf der Koldewey- und der Neumayer-Station ließ sich die Ausbreitung der Pinatubo-Aerosole sowohl für die Arktis als auch für die Antarktis präzise verfolgen. Dabei fiel auf, wie schnell sich die vulkanischen Partikel über den Globus verteilten. Schon drei Monate nach dem Ausbruch registrierten die Wissenschaftler auf Spitzbergen einen sprunghaften Anstieg des Aerosolgehalts in Höhen zwischen elf und achtzehn Kilometern. Mit einem so raschen Transport aus den Tropen in hohe nördliche Breiten hatte niemand gerechnet. Außerdem überraschte, dass sich die Aerosole in den unteren Stratosphärenschichten konzentrierten – dicht über der Grenze zur Troposphäre, die sich in der Arktis in etwa zehn Kilometern Höhe befindet.

Im März 1992 war die optische Dicke für die Wellenlänge von 500 Nanometern (grün) durch die vulkanischen Emissionen auf fast 0,3 geklettert, das Sechsfache ihres über zehn Jahre gemessenen Mittelwerts von 0,05 im arktischen Sommer. Mit Hilfe des Lidars, eines Infrarot-Spektrometers und der Fotometer ließ sich zugleich verfolgen, wie die Teilchen sich allmählich absetzten, weil sie sich mit der Zeit zusammenballten und schwerer wurden. Dieser Vorgang zog sich über vier Jahre hin. Erst ab 1995 wurden wieder Werte wie vor dem Vulkanbausbruch gemessen.

Die Atmosphärenphysiker des AWI nutzten die Pinatubo-Episode noch zur Erledigung einer anderen wichtigen Aufgabe. Schon seit 1978 ließen sich Aerosole im Prinzip auch von Satelliten aus messen. Die dabei erhaltenen Daten mussten jedoch kalibriert und validiert werden, um quantitative Aussagen zu erlauben. Die AWI-Forscher unterzogen sich 1993 der Mühe, die Messreihen verschiedener Satelliten zu überprüfen und sie mit eigenen direkten Messungen zu vergleichen. Dazu flogen sie mit einer russischen IL-18 und einer Dornier-Maschine bis in die Stratosphäre und gewannen aus jenen Höhen, wo sich die Aerosole ansammeln, mit dem Sonnenfotometer direkt unverfälschte Werte.

Satelliten-Fotometer machen Messungen entlang einer Sichtlinie, die tangential oder "streifend" an der Erdoberfläche entlang durch die Atmosphäre zur Sonne verläuft. Sie versagen bei tiefen und noch dazu stark verschmutzten Atmosphärenschichten, weil der Satellit die Sonne dann gar nicht mehr sieht. Für diese Höhen müssen die Satellitenwerte folglich extrapoliert werden. Nasa-Wissenschaftler hatten das mit Aerosoldaten des Sage-II-Fotometers (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) auf dem Satelliten ERBS gemacht. Der Vergleich mit den direkten Messwerten der AWI-Forscher zeigte nun jedoch, dass die Extrapolation falsch war und zu geringe Werte für das Aerosol der unteren Stratosphärenschichten ergab.

Dies hat durchaus auch große praktische Bedeutung. Die Messungen mit dem Sonnenfotometer vom Boden aus liefern die gesamte Aerosolkonzentration in der Atmosphäre entlang der Sichtlinie zur Sonne. Wenn sich nun aus Satellitendaten der Anteil ergibt, der auf die Stratosphäre entfällt, entspricht die Differenz jener Schwebstoffmenge, die sich in der Troposphäre angesammelt hat. Diese ist aber besonders interessant, weil sie Phänomene wie den arktischen Dunst verursacht. Tatsächlich ergaben die Messungen der AWI-Forscher, dass der Anteil des stratosphärischen Aerosols im Mittel nicht mehr als zehn Prozent der Gesamtmenge beträgt. Nur im Falle eines Vulkanausbruchs kann er deutlich höher liegen – wenn Gase sehr hoch bis in die Stratosphäre geblasen werden, wo sie lange verbleiben, weil dort kein Wetterkreislauf wie in der Troposphäre stattfindet, durch den sie ausgewaschen werden.

Was tut sich in der Polarnacht?

Während der Pinatubo-Phase bestand das Lindenberger Fotometer gewissermaßen seinen Härtetest. Allerdings funktionierte es noch immer nur unter Tageslichtbedingungen, also von Frühjahr (März) bis Herbst (September). Die Vorgänge während der Polarnacht dagegen blieben buchstäblich im Dunkeln.

Diese Wissenslücke war ärgerlich; denn wenn die Sonne für Monate unter dem Horizont verschwunden war, könnte sich das vorbereiten, was dann im Frühjahr offenbar wird: beispielsweise der arktische Dunst oder auch die Zerstörung des Ozons; Letztere beginnt an polaren stratosphärischen Wolken, die sich schon im Polarwinter bilden (was bis dahin niemand wusste).

Als Lichtquelle für spektrometrische Messungen in der Polarnacht standen aber nur der im Vergleich zur Sonne etwa eine Million Mal schwächer scheinende Mond und die noch blasseren Sterne zur Verfügung. Wollte man sie heranziehen, musste die Empfindlichkeit des Detektors erheblich gesteigert werden.

Die bis dahin benutzten Sonnenfotometer arbeiteten mit einfachen Silizium-Dioden. Dabei erzeugt der Lichteinfall im Halbleitermaterial einen messbaren Elektronenstrom. Eine erste Verbesserung versprach eine neue, bis ins Letzte ausgereizte Silizium-Diode der japanischen Firma Hamamatsu. Messtests mit ihr ergaben, dass sie im Stande war, sowohl das Sonnen- als auch das Mondlicht exakt aufzunehmen. Die Sonde war allerdings für Strahlungsmessungen an Wolken entwickelt worden. Immerhin erlaubte sie eine maximale Signalverstärkung über acht Größenordnungen – und zwar linear. Das war eine entscheidende Forderung, denn nur so war eine problemlose Interpolation zwischen einem minimalen und einem maximalen Lichtsignal möglich.

Das Bundesforschungsministerium finanzierte die Anpassung der elektronischen Verstärkung an die Diode. Eine Ausgründung aus dem Lindenberger Observatorium, die Firma Dr. Schulz & Partner, stellte auf dieser Basis dann ein neues und die folgenden, weiterentwickelten Fotometer her. Mit ihnen konnte einer der Autoren (Andreas Herber) im Januar 1995 schließlich erstmals Aerosol-Daten aus der Polarnacht gewinnen.

Das Ergebnis war eine große Überraschung. Die gefundenen Werte lagen so niedrig wie üblicherweise im arktischen Sommer. Das enttäuschte die Erwartungen der Atmosphärenphysiker. Sie hatten aus meteorologischen Befunden geschlossen, dass sich auch im Winter Dunstschichten am Nordpol ausbreiten würden.

Das ganze Jahr über bildet die Polarfront eine Art Wall um die Arktis – ohne deswegen eine völlig undurchlässige Barriere zu sein. Im Sommer verläuft sie bei 70 bis 75 Grad nördlicher Breite und stoppt so den Luftstrom aus dem Süden. Dadurch bleibt die arktische Atmosphäre frei von fremden Einflüssen und zeigt ihren natürlichen Aerosolgehalt.

Gegen Ende des Herbstes beginnt sich die Polarfront dagegen nach Süden auf eine geografische Breite von etwa 55 Grad Nord zu verschieben. Dadurch geraten große Teile der Arktis einschließlich Spitzbergen in den Einflussbereich von Luftmassen, die eine Verbindung zu, wenn auch 2000 und mehr Kilometer entfernten, anthropogenen Aerosolquellen herstellen. Innerhalb weniger Tage kann so Schmutz aus den Industriegebieten in hohe nördliche Breiten gelangen – von woher und wohin ist nur eine Frage der Strömungsdynamik.

Dennoch zeigten die ersten Messungen im Spätwinter keinen Dunstschleier – weder im Januar noch im Februar. Er erschien erst im März, als die Tage wieder hell waren. Das hieß, dass die Atmosphäre im arktischen Winter zumin-dest an einzelnen Orten zeitweise ebenso klar erschien wie im Sommer. Der Grund dafür war rätselhaft.

Allerdings musste für die Mondlichtmessungen die Vollmondphase abgewartet werden, die sich bekanntlich nur einmal im Monat einstellt. Damit waren auch die neuen Sondierungen zeitlich begrenzt. Da für die Polarnacht noch gar keine Informationen vorgelegen hatten, bedeuteten sie trotzdem einen Gewinn. Letzte Klarheit aber konnten erst lückenlose Untersuchungen während der gesamten dunklen Jahreszeit erbringen.

Dies erforderte, auch das Sternenlicht für Aerosolmessungen zu nutzen. Dazu musste die Empfindlichkeit des Detektors noch einmal um sechs Größenordnungen gesteigert werden – und zugleich die Linearität der Signalerfassung gewahrt bleiben. Trifft beim Sonnenlicht ein ununterbrochener Photonenstrom auf den Empfänger, so sind es bei einem Stern nur noch einzelne kurze Schauer.

Für die Aufnahme derart geringer Energieflüsse eignet sich im Prinzip nur ein Fotomultiplier – ein relativ kompliziertes Bauteil, das einen Energie-Impuls kaskadenartig verstärkt. Schon ein einziges Photon erzeugt darin einen messbaren Strom. Allerdings waren diese Detektoren bis vor kurzem noch mit aufwendigen Kühlanlagen umgeben, weil sie auf einer tiefen Temperatur gehalten werden mussten, und brauchten ein gewaltiges Teleskop, um das spärliche Licht zu bündeln. Deshalb kam Leiterer auf die Idee, statt dessen eine so genannte Avalanche-Diode zu nutzen. Dieses hochgezüchtete Silizium-Bauelement stellt geringere Ansprüche als ein Fotomultiplier, ist aber ebenfalls in der Lage, das elektronische Signal eines Photons lawinenartig zu verstärken.

Messungen mit Sternenlicht

Während der Kampagne "Star 96" in Ny-Ålesund ließen sich so zum ersten Mal kontinuierlich Aerosolkonzentrationen sowohl mit dem Mond als auch mit Fixsternen als Lichtquelle bestimmen. Allerdings mussten zwei Sterne gleichzeitig angepeilt werden, und eine Messung dauerte relativ lange. Deshalb entschieden sich die Forscher schließlich doch für einen Fotomultiplier als Detektor, nachdem die Firma Hamamatsu eine handlichere Neuentwicklung angeboten hatte, die zudem hohe Langzeitstabilität versprach. Das verbesserte und verkürzte die Messungen. Außerdem ließen sie sich besser automatisieren, weil jetzt das Licht eines Sterns genügte.

Für die Jahre 1995/96 bis 1999/2000 wurden jeweils Aerosol-Daten für die Wintermonate Dezember bis Februar gesammelt. Den ersten kompletten Durchlauf vom ausklingenden Herbst über die Polarnacht bis zum Frühjahr unternahmen die Forscher im Winterhalbjahr 2000/2001.

Bei diesen Messserien konnten auch vereinzelt Dunstschleier in der Polarnacht nachgewiesen werden – vor allem gegen Ende der dunklen Jahreszeit. Zu diesem Zeitpunkt waren sie immerhin bei einem Viertel der Messungen zu be-obachten. Wirklich hohe Aerosolwerte traten aber erst im Frühjahr auf. Dann registrierte das Fotometer bei bis zu fünfzig Prozent der Messungen Schmutz-schwaden in Luftschichten bis drei Kilometer Höhe. Die optische Dicke bei einer Wellenlänge von 500 Nanometern erreichte Werte von 0,2. Solche Aerosolkonzentrationen lassen sich mit denen in Industriegebieten Mitteleuropas vergleichen. Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass entgegen anders lautenden Vermutungen die Konzentration der arktischen Aerosole in den letzten zehn Jahren nicht zurückgegangen ist.

Bei einer optischen Dicke von 0,1 (bei 500 Nanometern) enthält die Luftsäule zehn Milligramm Aerosol pro Quadratmeter – unter der Annahme, dass es sich um Schwefelsäuretröpfchen handelt. Den bisher höchsten Wert im Nordpolarbereich hat Leiterer 1989 in der sibirischen Arktis gemessen: 0,32. Er entspricht einem Gesamtverlust an solarer Strahlung von etwa 37 Prozent. Beim Maximalwert von 0,2 über Spitzbergen gehen 30 Prozent des Sonnenlichts verloren und beim Minimalwert von 0,05, der in der Arktis vom Sommer bis zum Ende des Herbstes sowie ganzjährig in der Antarktis vorliegt, nur noch 15 Prozent. Allerdings werden auch in völlig klarer Luft durch die so genannte Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen 12 Prozent der solaren Strahlung zurück ins All gelenkt. Beim Minimalwert der optischen Dicke sind also nur drei Prozent des Strahlungsverlustes den Aerosolen anzulasten.

Warum aber manifestieren sich die Aerosolmaxima erst im Frühjahr statt schon im Winter, wie die Atmosphärenphysiker zunächst angenommen hatten? Dafür gibt es offenbar mehrere Gründe. Zum einen ist die atmosphärische Zirkulation um Spitzbergen in der kalten Jahreszeit oft durch Nordost-Winde geprägt, die Luft aus unberührten Polarregionen heranführen und zugleich für eine intensive Durchmischung der Atmosphäre sorgen. Zum anderen sind die Emissionen der Industrie im Allgemeinen zu-nächst gasförmig und damit unsichtbar. Aerosolpartikel, die den Himmel trüben, bilden sich daraus erst nachträglich durch eine fotochemische Reaktion. Diese kommt nicht richtig in Gang, solange noch allgemeine Dunkelheit herrscht. Wenn aber im Frühjahr die ersten Sonnenstrahlen auf die industriellen Gase einwirken, transformieren sie die schon länger vorhandene Luftverschmutzung plötzlich in sichtbare graubraune Aerosol-Schleier: eben den arktischen Dunst – definiert durch eine spektrale optische Dicke um oder über 0,1.

Arktischer Dunst verstärkt die Erwärmung am Nordpol

Auch nachdem Ursprung und Entstehungsmechanismus dieses Phänomens geklärt sind, bleibt allerdings eine andere Frage umstritten: Wie wirkt sich der arktische Dunst auf das Klima aus? Im globalen Mittel haben Aerosole, wie Modellrechnungen verschiedener Institute ergaben, einen abkühlenden Effekt: Sie schwächen den anthropogenen Treibhauseffekt ab.

Unter arktischen Verhältnissen gestalten sich die Strahlungsvorgänge aber komplizierter als in mittleren Breiten. Man muss schon die vielen Komponenten einzeln im Detail untersuchen, um die Frage nach der Klimawirkung beantworten zu können. Je nachdem wie groß die Aerosolteilchen sind, welche chemische Zusammensetzung und Form sie haben und ob die Unterlage Schnee, erodiertes Eis oder Wasser ist, wird die einfallende Sonnenstrahlung unterschiedlich stark gestreut oder absorbiert.

Da die Eisoberfläche mit ihrer hohen Albedo einen Großteil des auftreffenden Lichtes reflektiert, kommt es in der polaren Atmosphäre zur Mehrfachstreuung zwischen Oberfläche und Aerosol. Das erzeugt quasi ein Überangebot an Strahlung, die von den Aerosolpartikeln absorbiert werden kann, sodass die Dunstpartikel unter bestimmten Umständen vielleicht die Atmosphäre eben doch aufheizen, statt sie abzukühlen. Dann würde der Arctic Haze den Treibhauseffekt in der Nordpolarregion sogar verstärken.

Erste Rechnungen am Alfred-Wegener-Institut mit den neuen Daten bestätigen diese Vermutung. Danach sollte das anthropogene Aerosol in der Arktis tatsächlich eher einen erwärmenden als abkühlenden Effekt haben. Mit einer eigenen Messkampagene – ASTAR 2000 (Arctic Study of Tropospheric Aerosol and Radiation) – sind AWI-Wissenschaftler in Kooperation mit dem japanischen Polarforschungsinstitut dieser Frage im Frühjahr 2000 nachgegangen.

Dabei hat sich erwiesen, dass die Schwebteilchen zwar auch in der Arktis lokal vereinzelt abkühlend wirken; in der Summe aber heizen sie die Troposphäre im Nordpolargebiet auf. Das könnte dazu führen, dass das Meereis dort schneller schmilzt als erwartet. Auswirkungen auf den Meeresspiegel hätte dies zwar nicht. Letztlich wäre aber auch die Inlandeis-decke Grönlands betroffen und deren allmähliches Abschmelzen würde die Meere sehr wohl anschwellen lassen.

Literaturhinweise


Continuous Day and Night Aerosol Optical Depth Observations in the Arctic between 1991 and 1999. Von A. Herber et al. in: Journal of Geophysical Research, im Druck.

Tropospheric Aerosol Measurements in the Arctic by FTIR Emission and Star Photometer Extinction Spectroscopy. Von E. Becker, J. Notholt und A. Herber in: Geophysical Research Letters, Bd. 26, S. 1711, 1999.

Erste Ergebnisse von Messungen der optischen Dicke des Aerosols an der Antarktis-Station "Georg Forster" 1988/89. Von A. Herber, U. Leiterer und N. Flaake in: Zeitschrift für Meteorologie, Bd. 40, Nr. 4, S. 269 (1990).

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2002, Seite 30
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