Das weltweit größte Wetterphänomen, der südasiatische Monsun, reinigt die Luft effizient wie ein Waschmittel von Schadstoffen, ermöglicht aber gleichzeitig die Verteilung der weltgrößten anthropogenen Schmutzwolke über den gesamten Globus.
Jedes Jahr bildet sich während der Trockenzeit im Winter eine riesige von Menschen gemachte Schmutzwolke über Südasien: Die „Atmospheric Brown Cloud“ reicht vom Indischen Subkontinent zum indischen Ozean und entsteht aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und Biomasse. So dramatisch die Schmutzwolke von Dezember bis März ist, so unklar war bisher, wie sie während der Regenzeit des Monsuns im Sommer wieder verschwindet. Dabei führte das Forschungsflugzeug HALO, eine umgebaute Gulfstream G550, Messungen in großer Höhe durch.
Gulfstream G550: Wetterflieger messen in 15 km Höhe
Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Chemie und unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) stellte mithilfe einer Gulfstream G550 nun fest, dass Aufwinde, Gewitter und chemische Reaktionen für eine effiziente Selbstreinigungskraft in der Atmosphäre sorgen, weil unter Einfluss der Monsungewitter mehr Hydroxylradikale gebildet werden. Die Moleküle wirken wie eine Art Waschmittel, da sie Luftschadstoffe und Vorläufergase von Partikeln oxidieren. Dadurch wird ein Teil der Schadstoffe leichter wasserlöslich und kann mit dem Niederschlag auf die Erde abregnen. Die Schadstoffe jedoch, die nicht ausgewaschen werden, steigen getrieben durch den Monsun bis in die obere Troposphäre und in die Stratosphäre und verteilen sich dabei weltweit.
Kein Wetterphänomen prägt Südasien so stark wie der Monsun: Die gigantische Luftströmung führt im Winter zu Trockenheit und Dürre, bringt im Sommer aber große Niederschlagsmengen mit sich. Der Monsun entsteht, in dem sich Luftmassen über dem Indischen Subkontinent in den Sommermonaten sehr stark aufheizen und die warme Luft aufsteigt. Dadurch wird feuchte Ozeanluft angesaugt und strömt über das Land in Richtung Himalaya. Über der Region bilden sich riesige Wolken, aus denen es über Monate hinweg regnen kann, was somit die Wasserversorgung und die Ernten sichert. „Eine gigantische Wettermaschine, die wir mit dem Forschungsflugzeug HALO bis in 15 Kilometer Höhe untersuchen konnten“, freut sich Dr. Hans Schlager vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre.
Naheliegend, aber bisher nicht direkt nachgewiesen war, dass die aufsteigenden Luftmassen auch verschmutzte Luft hoch in die Atmosphäre transportieren, und zwar über die Regenwolken hinaus. „Nach unserer Vorstellung gelangen Schadstoffe und Schmutzpartikel durch die Konvektion in einer Antizyklone, einem riesigen Windwirbel, der sich oberhalb der Wolkenebene über Südasien bildet“, so Jos Lelieveld, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie. „Unsere Forschungsflüge zeigten aber auch, dass Schadstoffe vom Monsun effizient gereinigt werden.“
Geografisch zählen die Länder Bhutan, Nepal, Myanmar, Bangladesch, Tibet, Indien, Sri Lanka, Pakistan und Afghanistan zu Südasien. In dieser Region sind im letzten Jahrzehnt die Stickoxid- und Schwefeldioxidemissionen Südasiens um fünfzig Prozent gestiegen. Die Ursache liegt hauptsächlich in der Verbrennung von Kohle und anderen fossilen Energieträgern. Aber auch andere Quellen, insbesondere die Verbrennung von Biomasse durch die vielen Menschen in der Region, nähren die Schmutzwolke.
Forschungsflugzeug HALO untersucht Luftzusammensetzung
Den Nachweis, dass der südasiatische Monsun tatsächlich Schadstoffe über die Wolkenschicht in große Höhen transportiert, lieferte eine aufwendige Expedition mit dem vom DLR betriebenen Forschungsflugzeug HALO: Im Jahr 2015 startete das Max Planck Institut für Chemie mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie und DLR die Mission „Oxidation Mechanism Observations“ (OMO).
Mit Hilfe des hochfliegenden Flugzeugs stiegen die Wissenschaftler im Juli und August zwischen dem östlichen Mittelmeer und dem Indischen Ozean in Ausläufer der Antizyklone hinein und untersuchten die Luftzusammensetzung. Sie kreuzten dabei auch Regionen über dem Nahen Osten, dem Mittelmeer und Nordafrika, um die Ausdehnung des Phänomens zu untersuchen.
Chemie klärt Quellen und Abbau der Luftverschmutzung
Dabei bestimmten sie zahlreiche chemische Verbindungen, um Aufschluss über die Quellen der Luftverschmutzung und die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre zu erhalten: Schwefel- und Stickoxide, Ozon, Aerosolpartikel, chlorhaltige Moleküle, Kohlenwasserstoffe und deren Abbauprodukte. Methanmessungen dienten den Forschern bei ihren Messungen als Indikator dafür, ob sie Luftmassen des Antizyklons, eines riesigen Hochdruckgebietes in großer Höhe, analysierten oder nicht, denn das Treibhausgas, das während des Monsuns in großen Mengen aus Reisfeldern entweicht, hat eine lange Lebensdauer.
Die Messflüge ergaben auch, dass beispielsweise die Mengen von Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid innerhalb des Antizyklons im Vergleich zu außerhalb deutlich erhöht waren. „Die hohen Schwefeldioxidwertewerte stammen aus Verbrennungsprozessen durch menschliche Aktivitäten und liegen um vieles höher als natürliche Hintergrundkonzentrationen“ so der Atmospährenforscher Dr. Hans Schlager.
Indien großer Luftverschmutzer
Das wiederum bedeutet, dass ein wesentlicher Teil der Luftverschmutzung in Höhen bis zu 15 Kilometern transportiert wird. Zudem konnten die Forscher nachweisen, dass Indien eine bedeutende Schadstoffquelle ist. Zuvor wurde vermutet, dass ein großer Anteil der Emissionen auch aus China stammen könnte, da das Einflussgebiet des Monsuns bis nach Ostasien reicht.
Die Forscher analysierten außerdem die Hydroxyl-Konzentration (OH) und fanden innerhalb des Antizyklons deutlich höhere Konzentrationen als außerhalb. Dieses Molekül ist besser als Waschmittel der Atmosphäre bekannt, da es ein sehr reaktives Radikal ist und Schadstoffe effizient oxidiert. Dies hat chemisch zwei Effekte: Einerseits ändern sich ihre Löslichkeit und das Vermögen, sich in Schwebepartikeln in der Luft abzulagern, wodurch sie durch Niederschlag leichter aus der Luft ausgewaschen werden und auf die Erde regnen. Andererseits können sich die oxidierten Moleküle aneinanderlagern und so neue Aerosolpartikel bilden. Weil sich der Antizyklon weit ausdehnt und die Partikel verteilt, kann sich dieser Effekt auf das Klima weltweit auswirken.
Monsungewitter wird Waschtrommel für die Atmosphäre
Primär entsteht das „Atmosphären-Waschmittel“ durch die Spaltung von Ozon und Wasser durch Sonnenlicht und nachdem das Radikal mit Schadstoffen reagiert hat, geht es normalerweise verloren. Sind jedoch Stickoxide vorhanden, wird das Radikal recycelt und kann wiederholt „reinigen“. Stickoxide entstehen nicht nur bei der Verbrennung von Diesel, sondern auch durch Blitze in der Atmosphäre. Da es die während der Monsungewitter reichlich gibt, bedeutet das, dass die Selbstreinigungskraft durch die Gewitter trotz der Luftverschmutzung in 15 Kilometer Höhe aufrechterhalten wird.
Laut den Wissenschaftlern wird sogar viel mehr OH recycelt als primär produziert, denn es entstehen im Antizyklon mehr als 80 Prozent des OH durch Blitze im Vergleich zu knapp 40 Prozent ohne. Das heißt also, dass die Konvektion des Monsuns nicht nur Schadstoffe hoch in die Atmosphäre pumpt, sondern gleichzeitig einen Reinigungsmechanismus bereitstellt, um einen Teil der Schadstoffe wieder zu entfernen.
Bestätigt wurde diese Erklärung durch die Ergebnisse eines etablierten numerischen Modellsystems, das die chemischen Prozesse in der Atmosphäre global abbildet. Anhand dieses Modells lassen sich unter anderem die Werte einzelner chemischer Verbindungen wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und auch die OH-Konzentration ermitteln. Letztere sinkt nämlich um einen Faktor zwei bis drei ab, sobald die Wissenschaftler die durch Blitze entstehenden Stickoxide im Modell nicht berücksichtigten.
Verteilung der Schadstoffe um den Globus
So effizient die Selbstreinigungskraft innerhalb des Monsunaufwindes auch ist, so zeigten die Mess- und Modellergebnisse des Wissenschaftlerteams auch die Kehrseite des Monsuns: Ein Großteil der aus Südasien stammenden Schadstoffemissionen, die bis über die Monsunniederschläge befördert werden, werden nicht in dem Antizyklon abgebaut. Sie reichern sich vielmehr an und werden rund um den Globus verteilen. So gelangen beispielsweise nahezu zehn Prozent des Schwefeldioxids aus Südasien in der die Stratosphäre, was wiederum Auswirkungen auf das Klima und die Ozonschicht hat. So ist der Monsun nicht nur eine Art effizienter Waschmaschine für Schadstoffe, sondern trägt gleichzeitig auch zur weltweiten Luftverschmutzung bei.
Da anzunehmen ist, dass die Schadstoffemissionen in den nächsten Jahren weiter ansteigen, ist es für die Atmosphärenforscher zukünftig von Interesse, wie sich das Gesicht des janusköpfigen südasiatischen Monsuns weiterentwickelt: Bleiben Reinigungs- und Transportmechanismus gleichzeitig bestehen oder kippen sie in die eine oder andere Richtung. Der Betrieb von HALO wird von der DFG, der Max-Planck-Gesellschaft, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie, und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) getragen. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.
Forschung auf den Fotos
Forschen während des Flugs HALO: Während der Messflüge mit Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) bedienen jeweils vier Wissenschaftler die ingesamt zwölf Instrumente an Bord, mit denen die chemische Zusammensetzung der Luft untersucht wird.
Luftschadstoffe über Südasien: Eine riesige Schmutzwolke über Südasien: die Atmospheric Brown Cloud entsteht jedes Jahr während der Wintermonate durch die Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen und verschwindet im Frühjahr wieder.
Modellergebnisse verdeutlichen die Luftverschmutzung über Südasien: Das linke Bild zeigt die Kohlenmonoxidemissionen (CO) in 12 bis 17 Kilometer Höhe, rechts die Darstellung ohne Emissionen aus Südasien. Im linken Bild sind zudem die Winde über der Region dargestellt, wodurch man den Antizyklon gut erkennt, der durch den Monsun entsteht. Die Einheit ppbv steht für parts per billion by volume, also Teile pro Milliarde in einem Volumen.
Forschungsflieger HALO bereit zum Flug: Der Forschungsflieger HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist für Langstrecken bis 8.000 Kilometer sowie Höhen bis 15 Kilometern ausgelegt.
