KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Vom Menschen verursachte Aerosole wie Sulfatpartikel wirken in der Atmosphäre kühlend.

Ist der Dreck in der Atmosphäre klimatechnisch wünschenswert? – Foto: Dagmar Struß / birdfish

Klimaforscher nehmen an, dass sie einen Großteil des anthropogenen Treibhauseffekts kompensieren. Allerdings müssen sich die Partikel zum Teil in der Atmosphäre erst bilden. Diesen bisher kaum verstandenen Prozess, die Nukleation, nimmt das CLOUD-Experiment am CERN bei Genf unter die Lupe. Die Ergebnisse zeigen: die Beschreibungen der Aerosolneubildung in Klimamodellen muss revidiert werden. Darüber berichtet ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Frankfurter Atmosphärenforscher Prof. Joachim Curtius in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“.

Natürliche Aerosolpartikel wie Seesalzpartikel oder Sandstaub reflektieren in der Atmosphäre Sonnenlicht und sorgen dafür, dass sich Wolkentröpfchen bilden können. Neben den natürlichen Aerosolpartikeln gibt es auch eine Vielzahl von Partikeln, die durch Menschen in die Atmosphäre gelangen. Ein Teil der Partikel entsteht dort erst neu durch die Zusammenlagerung von Molekülen. In Klimamodellen berücksichtigt man diese sogenannte Nukleation durch Korrekturen aus theoretischen Berechnungen oder man passt die Ergebnisse nachträglich an Beobachtungen an. Die dadurch entstehenden Unsicherheiten lassen sich nun durch exakte experimentelle Daten des CLOUD-Experiments erheblich verringern.

Wie ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Frankfurter Atmosphärenforscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet, sind Schwefelsäure- und Ammoniakdämpfe, die bisher als wahrscheinlichste Kandidaten für die Nukleation in der Atmosphäre galten, nicht ausreichend, um die beobachteten Effekte zu erklären. Unter den kontrollierten experimentellen Bedingungen betragen die Nukleationsraten nur ein Zehntel bis ein Tausendstel der in der untersten Atmosphäre gemessenen. „Aufgrund dieser ersten Resultate von CLOUD ist nun klar, dass die Beschreibung der Aerosolnukleation in Atmosphären- und Klimamodellen revidiert werden muss“, urteilt Prof. Joachim Curtius von Institut für Atmosphärenforschung an der Goethe-Universität, der das Doktoranden-Netzwerk für CLOUD koordiniert. Gesucht wird nun nach weiteren chemischen Verbindungen, die zur Nukleation und ihren Effekten beitragen. Die Arbeitsgruppe an der Goethe-Universität trägt durch die Messung der Schwefelsäure sowie durch die Messung von kleinsten Aerosolpartikeln zu den Experimenten bei.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis von CLOUD ist, dass die von der kosmischen Strahlung verursachte Ionisation der Atmosphäre die Nukleation bis zum Zehnfachen verstärkt. Dieser Effekt ist insbesondere bei den kalten Temperaturen der mittleren und oberen Troposphäre ausgeprägt. Dort wird die Nukleation bereits durch Schwefelsäure- und Wasserdampf ausgelöst, ohne dass weitere Substanzen notwendig sind. Ob kosmische Strahlen einen signifikanten Einflussfaktor für das Klima darstellen, hängt aber letztlich davon ab, welche anderen Substanzen an der Nukleation beteiligt sind und wie sie von Ionen beeinflusst werden. Dabei interessiert die Forscher besonders, ob die Verbindungen aus menschgemachten oder natürlichen Quellen stammen. Untersuchen wollen sie auch, inwieweit die Aerosolnukleation die Eigenschaften der Wolken im Endeffekt verändert.

CLOUD ist das erste Klimaexperiment, das die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugten Teilchen nutzt, um den Einfluss der kosmischen Höhenstrahlung auf die Bildung neuer Aerosolpartikel zu untersuchen. Die speziell für diesen Zweck entwickelte Kammer besteht aus einem vier Meter hohen Zylinder, in dem die Forscher Aerosolpartikel und Wolken unter kontrollierten Bedingungen entstehen lassen. Temperatur, relative Feuchte, Ionisierung und die Konzentrationen der Spurengase lassen sich extrem genau kontrollieren. „Das Besondere an der CLOUD-Kammer ist, dass wir das Maß an störenden und die Messung verfälschenden Verunreinigungen geringer halten können, als in allen bisherigen Experimenten“, erklärt Joachim Curtius. CLOUD verwendet die weltweit beste Instrumentierung um die extrem niedrigen Konzentrationen der Spurengase und die nur wenige Nanometer großen Partikel genau zu messen.

Ein neuentwickeltes Messgerät verfolgt die Entstehung der sich bildenden geladenen molekularen Cluster. Es misst deren chemische Zusammensetzung und das Wachstum vom einzelnen Molekül bis zum fertigen Partikel. Eine weitere Besonderheit ist, dass Nukleationsprozesse unter verschiedenen Bedingungen miteinander verglichen werden können. Denn Spurengase werden einerseits durch die natürliche kosmische Strahlung ionisiert. Andererseits lässt sich eine zusätzliche Ionisierung mit Hilfe eines Pionen-Strahls vom Teilchenbeschleuniger des CERN erzeugen. Auch eine Messung, bei der die Einflüsse der Ionen vollständig unterdrückt werden, ist möglich.

Originalpublikation
Kirkby et al., „Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation”, nature, 25.8.2011, DOI 10.1038/nature10343

EU-Fluggesellschaften wollen den Anteil von Agrarkraftstoffen im Flugverkehr erhöhen.

Vermeintlich umweltfreundlicher Sprit ist ökologischer Unsinn – Foto: Dagmar Struß

Bis 2020 sollen jährlich zwei Millionen Tonnen eingesetzt werden. Dies sind 3,7 Prozent des gesamten Kraftstoffverbrauchs im Flugverkehr.

Auf dieses Ziel verständigten sich Fluggesellschaften mit Agrarkraftstoffproduzenten, darunter Lufthansa, Airbus, Air France und Neste Oil. Agrarkraftstoff ist seit langem hoch umstritten. Friends of the Earth Europe berechnete, dass zur Erfüllung bis zu 3,5 Millionen Hektar Land, also eine Fläche von der Größe Belgiens, benötigt würde. Es sei mit schweren Umweltschäden zu rechnen.

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V. (IfT) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Das Institut weist ein klares und weltweit einzigartiges Forschungsprofil auf, in dessen Mittelpunkt Aerosole, also kleinste luftgetragene Partikel und Wolken, stehen.

Trotz geringster absoluter Mengen sind diese wesentliche Bestandteile der Atmosphäre, weil sie den Energie-, Wasser- und Spurenstoffhaushalt des Erdsystems beeinflussen. Menschliche Aktivitäten können die Eigenschaften dieser hochdispersen Systeme verändern und direkt sowie indirekt auf den Menschen zurück wirken. Das kann sowohl über die gesundheitlichen Wirkungen eingeatmeter Partikel und Nebeltröpfchen als auch über regionale und globale Klimaänderungen geschehen.

Trotz dieser wichtigen Beziehungen zwischen Mensch, Aerosolen und Wolken sind die physikochemischen Prozesse von Aerosol- und Wolkenbildung und die Wechselwirkungen mit Gesundheit und Klima noch wenig verstanden. Dies liegt vor allem an Schwierigkeiten bei der Analyse der beteiligten kleinsten Stoffmengen und an dem komplexen Verhalten troposphärischer Mehrphasensysteme, deren Einzelprozesse in der Atmosphäre nicht klar getrennt beobachtet werden können. In der gegenwärtigen Klimadiskussion zum globalen Wandel spiegelt sich diese Kenntnislage in den sehr viel größeren Unsicherheiten in allen zu Aerosol- und Wolkenwirkung veröffentlichten Zahlen im Verhältnis zu Treibhauseffekten der Gase wider.

Rasche Zuwächse beim Verständnis troposphärischer Mehrphasenprozesse und eine Anwendung dieses Prozessverständnisses auf die Vorhersage der Folgen menschlicher Eingriffe lassen sich nur durch ein konzertiertes Vorgehen in mehreren Richtungen erwarten. Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung betreibt daher neben Feldstudien in mehreren belasteten Regionen auch die Entwicklung eigener analytischer Verfahren zur Untersuchung von Aerosolen und Wolken. Diese Verfahren werden auch in ausgedehnten Laboruntersuchungen eingesetzt, der zweiten Hauptarbeitsrichtung des Instituts. Ein dritter, gleichermaßen wichtiger Arbeitsansatz ist die Formulierung und Anwendung numerischer Modelle von der Prozessbeschreibung bis zur Beschreibung der regionalen Bildung, Umwandlung und Wirkung troposphärischer Mehrphasensysteme.

Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung

Website des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung e.V.

Viele EU-Mitgliedstaaten werden es nicht schaffen, die nationalen Luftschadstoffgrenzwerte einzuhalten.

Deutschland tut zu wenig gegen Luftschadstoffe – Foto: Rainer Sturm / Pixelio

Das hat die Europäischen Umweltagentur (EEA) in ihrem jährlichen Statusbericht über die Einhaltung der Richtlinie über nationale Emissionshöchstmengen (NEC) ermittelt.

Die NEC-Richtlinie schreibt nationale Höchstmengen für die Luftschadstoffe Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffoxide (NOx), nicht-methanhaltige flüchtige organische Verbindungen (NMVOCs) und Ammoniak (NH3) vor. Die in Kopenhagen ansässige EEA prüft einmal jährlich die Einhaltung dieser Werte und lässt sich auch vorausschauend Prognosen der EU-Mitgliedstaaten übermitteln.

Zehn Mitgliedstaaten – Österreich, Belgien, Frankreich, Deutschland, Griechenland, Irland, Luxemburg, die Niederlande, Slowenien und Spanien – können demnach die NOx-Werte nicht einhalten. Die Stickstoffoxidgrenzwerte werden damit hochgerechnet auf die gesamte EU um 17 Prozent überschritten. Während die Niederlande und Slowenien die Höchstmengen nur um etwa 5 Prozent überschreiten, liegen Deutschland und Frankreich um je etwa ein Drittel über der anvisierten Menge von Stickstoffoxidemissionen. Nur Österreich toppt das noch mit 40 Prozent Überschreitung. Hauptquelle für NOx-Emissionen ist der Straßenverkehr.

Deutschland kann außerdem voraussichtlich die NMVOCs- und die NH3-Höchstwerte nicht einhalten und ist damit das einzige EU-Land, das Probleme bei gleich drei Emissionshöchstmengen hat.

Die EEA hatte auf der Grundlage von Hochrechnungen bereits im letzten Herbst erste Zahlen veröffentlicht. Auch die letzten Schätzungen zeigen, dass die EU-Mitgliedstaaten für die Luftqualität noch viel tun müssen.

Für spätestens 2013 plant die EU-Kommission eine Revision und Verschärfung der NEC-Richtlinie.

NEC-Richtlinie – Status-Report 2010 (engl.)

Die ozonarmen Luftschichten haben sich vergangene Woche etwa vom Nordpol bis nach Südskandinavien erstreckt und haben dort an sonnigen Tagen zu erhöhter ultravioletter Strahlung geführt.

Polare Stratosphärische Wolke – das Bindeglied zwischen Ozonabbau und Klimaveränderungen – Foto: Markus Rex / AWI

Nun driften sie ostwärts, werden in den kommenden Tagen über Teilen Russlands liegen und in ihrer südlichen Ausdehnung eventuell bis zur chinesisch-russischen Grenze vordringen. Die in der Arktis vom Ozonverlust betroffenen Luftschichten können in den nächsten Wochen auch über Mitteleuropa driften und dabei bis zum Mittelmeerraum vorstoßen. Vor diesem Hintergrund bestätigte Dr. Markus Rex, Atmosphärenphysiker des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft (AWI) heute auf einer internationalen Pressekonferenz der “World Meteorological Organisation (WMO)” in Wien den beispiellosen Schwund der arktischen Ozonschicht, der sich seit Mitte März weiter verstärkt hat.

“Derart massiven Ozonverlust wie in diesem Frühjahr gab es bisher über der bis in hohe Breitengrade dicht besiedelten nördlichen Hemisphäre nicht”, beschreibt der AWI-Forscher die aktuelle Situation. Der Ozonabbau über der Arktis bewirkt eine erhöhte Belastung mit ultravioletter Strahlung am Erdboden. Aufgrund des niedrigen Sonnenstands in der Arktis ist diese dort normalerweise kein Problem. Wenn allerdings die vom Ozonabbau betroffenen Luftmassen südwärts über Mitteleuropa, Südkanada, USA oder das zentrale asiatische Russland driften, kann die dann dort auftretende Intensität der UV-Strahlung bei empfindlichen Menschen innerhalb von Minuten zu einem Sonnenbrand führen – selbst im April.

Ob und wann so eine Situation eintritt, kann nur kurzfristig vorhergesagt werden. Die aktuellen UV-Vorhersagen der regionalen Wetterdienste sollten deshalb in den nächsten Wochen beachtet werden. Wenn es zu Episoden erhöhter UV-Intensität kommt, werden diese jeweils nur wenige Tage andauern. In dieser Zeit ist ausreichender Sonnenschutz wichtig, vor allem für Kinder.

„Die erwartete UV-Intensität während dieser kurzen Episoden liegt dann aber immer noch in dem Bereich, dem wir im Hochsommer ohnehin ausgesetzt sind und weit unterhalb der Werte, die bei Urlaubsreisen in die Tropen auftreten. Übermäßige Sorge ist daher unnötig. ”, so Rex. “ Das Problem ist, dass die meisten Menschen so früh im Jahr noch nicht mit einem schnell auftretenden Sonnenbrand rechnen und daher den Sonnenschutz weniger ernst nehmen als im Hochsommer oder im Urlaub. ” Jeder Sonnenbrand erhöht das Risiko, im Verlauf des Lebens an Hautkrebs zu erkranken. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt für Kinder.

Rex´ Kollege Dr. Esko Kyrö vom Arktischen Forschungszentrum des Finnischen Meteorologischen Instituts ergänzt: “Bei ausreichendem Sonnenschutz ist es auch in Phasen geringer stratosphärischer Ozonkonzentrationen sicher und sogar gesund, sich ganz normal im Freien zu bewegen. Gerade in den nordischen Ländern neigen Menschen nach den langen, dunklen Wintern zu Vitamin D-Mangel, und Sonnenlicht ist die wichtigste natürliche Quelle für die körpereigene Bildung dieses Vitamins.”

Die tatsächliche UV-Strahlung am Erdboden wird von vielen Faktoren beeinflusst, z.B. von Wolken und von Aerosolen in der Luft. “Alles in allem wird der Ozonschwund über der Arktis in den hohen Breiten der nördlichen Hemisphäre aber definitiv zu einer erhöhten Intensität der UV-Strahlung führen”, bekräftigte Rex heute auf der Pressekonferenz der WMO.

Die Luftmassen mit besonders niedriger Ozonkonzentration werden sich im Verlauf des Frühjahrs auf der Nordhemisphäre durchmischen. Die Ozonkonzentration der Stratosphäre wird im Frühjahr und Frühsommer dann etwas niedriger bleiben als gewöhnlich, der Effekt ist wegen der großen Verdünnung allerdings nur noch sehr gering.

Wie vor einiger Zeit berichtet ist die arktische Stratosphäre in diesem Winter extrem kalt. Dadurch verwandeln sich die Abbauprodukte industrieller Chlorverbindungen in aggressive ozonzerstörende Substanzen. Seit Mitte März hat sich der Ozonschwund durch die Rückkehr des Sonnenlichts, das am chemischen Abbau von Ozon beteiligt ist, weiter verstärkt. Der gegenwärtige Ozonschwund über der Arktis ist der schwerwiegendste seit Beginn der Aufzeichnung von Ozonkonzentrationen mit modernen Messinstrumenten. Die Befunde basieren auf einem internationalen Netzwerk von 30 Ozonsondierungsstationen rund um die Arktis und Subarktis, deren Messungen vom Alfred-Wegener-Institut koordiniert werden. AWI-Forscher Rex: “Die gegenwärtige Situation zeigt deutlich, wie verwundbar die arktische Ozonschicht bei dem Auftreten tiefer Temperaturen ist und wie wichtig es daher ist, ein engmaschiges Netz an Beobachtungsstationen in hohen Breiten aufrechtzuerhalten.“

Hintergrund:

Zu Ozonabbau kommt es, wenn die Abbauprodukte von menschengemachten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) durch große Kälte in aggressive ozonzerstörende Substanzen verwandelt werden. Bereits seit einigen Jahren weisen Wissenschaftler jedoch auch auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Ozonverlusten und Klimaveränderungen hin. Im Bereich der arktischen Ozonschicht hat die Häufigkeit kalter Winter seit Mitte des letzten Jahrhunderts zwar eher etwas abgenommen, die Bedingungen während dieser kalten Winter sind aber immer eisiger geworden und  haben solch schwerwiegenden Ozonverlust in der Arktis erst ermöglicht. „Der aktuelle Winter setzt die Entwicklung eindrucksvoll fort, der  nicht im Widerspruch zur globalen Klimaerwärmung steht.“, erläutert Atmosphärenforscher Rex einen nur auf den ersten Blick paradox erscheinenden Zusammenhang. „Vereinfacht gesagt halten steigende Treibhausgaskonzentrationen die Wärmestrahlung der Erde in tieferen Luftschichten zurück und erwärmen diese. In die darüber gelegene Stratosphäre gelangt weniger der wärmenden Strahlung, dort kommt es dann zu einer Abkühlung. Daher beobachtet man parallel zur Erwärmung des Klimas am Boden eine Abkühlung der Stratosphäre“. Diese findet ausgerechnet im Bereich der Ozonschicht statt und bewirkt offensichtlich die nun beobachtete Verstärkung des Ozonabbaus. „Die komplizierten Details der Wechselwirkungen zwischen der Ozonschicht und Klimaänderungen sind jedoch nicht verstanden und Gegenstand aktueller Forschungsprojekte“, so Rex. Die Europäische Union beteiligt sich an der Finanzierung dieser Arbeiten im Projekt RECONCILE, ein mit 3,5 Millionen Euro unterstütztes Forschungsprogramm in dem 16 Forschungsinstitutionen aus acht europäischen Staaten an einem verbesserten Verständnis der arktischen Ozonschicht arbeiten.

Langfristig wird sich die Ozonschicht durch umfangreiche umweltpolitische Maßnahmen zu ihrem Schutz erholen. An dieser Erwartung ändert auch der nun beobachtete Rekordozonabbau in der Arktis nichts. „Durch die langfristige Wirkung des Montrealer Protokolls wird nennenswerte Ozonzerstörung ab der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts nicht mehr auftreten“ erläutert Markus Rex. Das Montrealer Protokoll ist ein 1987 unter dem Dach der UNO verabschiedetes internationales Abkommen zum Schutz der Ozonschicht, welches inzwischen die Produktion der ozonzerstörenden FCKW weltweit praktisch verbietet. Die bereits freigesetzten FCKW werden allerdings erst in vielen Jahrzehnten wieder aus der Atmosphäre verschwunden sein. Bis dahin hängt das Schicksal der arktischen Ozonschicht wesentlich von der Temperatur in etwa 20km Höhe ab und ist damit an die Entwicklung des Klimas gekoppelt.

Das Verbrennen von Biomasse kann einen deutlichen Beitrag zur regionalen Feinstaubbelastung haben.

Seiffen im Erzgebirge – neben Ferntransport und Abgasen aus dem Straßenverkehr tragen vor allem Heizungen im Winter zur Emissionsbelastung bei – Foto: Dr. Iinuma/IfT

Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (IfT).
Die Forscher hatten einen Winter lang im Auftrag des Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) Feinstaubproben aus Seiffen ausgewertet und mit Experimenten im Labor verglichen. Dabei konnten sie in der Luft des Ortes im Erzgebirge, in dem tradionell stark mit Holz geheizt wird, neben dem bekannten Levoglucosan mehrere nitroaromatische Verbindungen identifizieren, die ebenfalls die Verbrennung von Biomasse zuverlässig signalisieren, berichten die Forscher im Fachblatt Environmental Science and Technology.

Partikel aus der Verbrennung von Biomasse stehen im Verdacht, ein gesundheitliches Risiko zu sein, weil sie toxisch, erbgutverändernd und krebsauslösend wirken können. Um gesetzliche Auflagen für die Emissionen erlassen zu können, sind jedoch detaillierte Informationen über diese chemischen Verbindungen notwendig. Zur Gefährdung der menschlichen Gesundheit kommt ein potentielles Umweltrisiko: Nitrierte Phenole gelten als giftig für Pflanzen. Die Anreicherung im Schnee über den Winter und das Einsickern in den Boden beim Abschmelzen könnte daher die Entwicklung der Vegetation im Frühjahr bremsen. In den letzten Jahren hat die Anzahl von häuslichen Kleinfeuerungsanlagen und damit auch der Holzverbrauch stark zugenommen. Seit 2004 stoßen diese über 15 Millionen Öfen und Kamine bereits mehr Feinstaub aus als der Straßenverkehr. 2010 trat daher eine neue Kleinfeuerungsverordnung in Kraft, die Emissionsgrenzwerte vorschreibt und damit Modernisierungen anregt. Durch richtige Brennstoffe, sachgerechten Betrieb und das Nachrüsten von Filtern können auch Besitzer älteren Anlagen die Feinstaubemissionen deutlich senken.

Die Verbrennung von Biomasse – egal ob durch natürliche Waldbrände oder vom Menschen verursacht – erzeugt eine große Menge an Gasen und Partikeln. Mehrere Hundert chemische Verbindungen wurden dabei bisher beobachtet. Da Holzheizungen als CO2-neutral gelten und eine kostengünstige Alternative zu anderen Brennstoffen sein können, wird mit einer weiteren Zunahme gerechnet. Um mehr über die Zusammensetzung der Abluft zu erfahren, sammelten die Wissenschaftler von Oktober 2007 bis März 2008 täglich Luftproben aus einem Wohngebiet in Seiffen, in dem vorallem mit Holz geheizt wird. Der für seine Handwerkskunst bekannte Ort liegt in einem Tal des Erzgebirges unweit der Grenze zu Tschechien. Neben Ferntransport aus dem Industriegebiet Litvinov in Nordwest-Böhmen und Abgasen des Straßenverkehrs tragen vorallem die Heizungen im Winter zur Emissionsbelastung bei. “Dass die Holzverbrennung zu organischen Aerosolpartikeln führt und damit Einfluss auf die Wolkenbildung hat, ist schon lange bekannt. Es gibt aber bisher nur wenige Studien, die die indirekten Auswirkungen auf die chemischen Reaktionen in der Luft beleuchten”, erklärt Prof. Hartmut Herrmann vom IfT. Das so geannte zweite organische Aerosol (SOA) entsteht bei der Oxidation von leicht flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) aus der Biomasseverbrennung.

Durch die Untersuchungen konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass dabei auch nitrierte aromatische Verbindungen (C7H7NO4) eine Rolle spielen. “Diese verschiedenen Methyl-Nitrokatechol-Verbindungen wurden als partikuläre Bestandteile der Emissionen aus der Holzverbrennung detektiert und können in Zukunft als Tracer genutzt werden”, sagt Dr. Yoshiteru Iinuma. Der japanische Wissenschaftler arbeitet seit neunJahren in der Abteilung Chemie des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung. So gennante Tracerverbindungen helfen den Chemikern dabei, den Ursprung der Stoffe zu bestimmen. Bisher wurde Levoglocosan als Indikator für Biomasseverbrennung genutzt. Es entsteht bei der Verbrennung von Zellulose. Durch die neu bestimmten chemischen Verbindungen wird es in Zukunft möglich sein, die Spuren von Verbrennungsprodukten aus Biomasse in der Luft noch besser zu verfolgen.

Die novellierte Richtlinie über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU-Richtlinie) wurde im Amtsblatt der EU veröffentlicht und tritt am heutigen 6.1.2011 in Kraft.

IVU-Richtlinie soll Luftverschmutzung mindern – Foto: Konstantinos Dafalias / Pixelio

Die EU-Mitgliedstaaten haben nun zwei Jahre Zeit, die Richtlinie in nationales Recht umzusetzen.
Die Richtlinie sieht auch wichtige Änderungen für den Sevilla-Prozess zu den Besten verfügbaren Techniken (BVT) vor, die die Europäische Kommission mit allen betroffenen Akteuren in die Wege leiten muss.
Im Informationsaustausch arbeiten die EU-Mitgliedstaaten, die betroffene Industrie sowie Umweltverbände mit.

Richtlinie der EU über Industrieemissionen (integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung) (PDF)

“Sevilla-Prozess” – Informationen des Umweltbundesamtes zu den BVT (Beste verfügbare Techniken)

Die künstlich beschleunigte Verwitterung des Minerals Olivin kann der Atmosphäre vermehrt Kohlendioxid (CO2) entziehen und der Ozeanversauerung entgegenwirken.

Olivin-Kristalle – Foto: Prof. Thomas Pettke, Institut für Geologie der Universität Bern

Für jede Tonne CO2, die durch dieses Verfahren aus der Atmosphäre in den Ozean verlagert werden könnte, wäre die Lösung von etwa einer Tonne Olivin in Wasser notwendig. Das ergeben Modellrechnungen, die Forscher des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft und des KlimaCampus der Universität Hamburg in der Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) veröffentlichen. Die Methode eignet sich vermutlich jedoch nicht als Maßnahme, um heutige Treibhausgasemissionen vollständig zu neutralisieren.

Angesichts immer weiter zunehmender CO2-Emissionen und den damit zusammenhängenden Veränderungen der Konzentration des Klimagases in Atmosphäre und Ozean wird unter anderem überlegt, wie der Atmosphäre CO2 entzogen werden kann. Ein vor einigen Jahren vorgeschlagenes, aber noch recht wenig untersuchtes Verfahren basiert auf der natürlich vorkommenden chemischen Verwitterung von Olivin, einem auf der Erde häufigen Mineral, dessen Abbauprodukte nach Zersetzung an Land über die Flüsse ins Meer eingetragen werden. „Mit unseren Modellrechnungen wollten wir theoretisch prüfen, ob eine künstliche Beschleunigung dieser natürlichen Verwitterungsprozesse tatsächlich ein wirksames Mittel gegen den Klimawandel sein könnte“, erläutert der Erstautor Dr. Peter Köhler vom Alfred-Wegener-Institut die Zielrichtung der Studie.

„Das Alfred-Wegener-Institut hat weder die Absicht noch ein Interesse daran, mit dieser Studie den Weg für den kommerziellen Einsatz von Geoengineering-Maßnahmen zu ebnen. Sie liefert aber einen wichtigen Beitrag, um die wissenschaftliche Informationsbasis zu Geoengineering-Methoden zu verbessern“, erläutert Prof. Dr. Karin Lochte, Direktorin des Alfred-Wegener-Instituts. Internationale Gremien und Organisationen wie zuletzt die Biodiversitätskonferenz im japanischen Nagoya fordern bessere Grundlagen, um die Effektivität und die assoziierten Risken von Geoengineering-Maßnahmen auf Umwelt und Biodiversität besser beurteilen zu können.

Olivin ist ein silikathaltiges, aber kohlenstofffreies Mineral. Mit etwa 90% ist es Hauptbestandteil von Dunit, einem weit verbreiteten Gestein. Bei der chemischen Verwitterung, die der Lösung von Olivin zugrunde liegt, wird CO2 der Atmosphäre entzogen. Das atmosphärische CO2 reagiert hierbei zusammen mit Wasser im Niederschlag zu Kohlensäure. Sie greift letztendlich das Olivin an der Mineraloberfläche an und führt es in Lösung. Die Reaktionsprodukte sind Kieselsäure, Magnesiumionen und Bikarbonat. Letzteres ist mit etwa 90% die vorwiegende chemische Form, in der gelöstes CO2 im Ozean vorliegt. Die gelösten Stoffe werden mit den Flüssen ins Meer transportiert. Die dadurch erhöhte ozeanische Alkalinität (Pufferkapazität gegenüber Änderungen des pH-Wertes) führt zu einer vermehrten Aufnahme von CO2 durch die Meeresoberfläche und bewirkt gleichzeitig eine Erhöhung des pH-Wertes. Dies wirkt der zunehmenden Versauerung der Weltmeere entgegen.

Das Konzept des Geoengineerings mittels Olivin besteht darin, diesen natürlichen Verwitterungsprozess zu beschleunigen. Je größer die Reaktionsfläche eines Minerals ist, desto schneller kann es verwittern, d.h. gelöst werden. Wärme fördert diesen Prozess zusätzlich. „Deshalb sieht der Ansatz vor, fein gemahlenes Olivinpulver auf möglichst sauren Böden (niedriger pH-Wert) in warmen und feuchten Regionen zu verteilen“, erklärt Köhler die Ausgangsvoraussetzung für die Modellrechnung. Das Mahlen von Olivinmineralien vergrößert die Reaktionsfläche mit dem Wasser und somit das Potenzial, möglichst viel Olivin in möglichst kurzer Zeit zu lösen. Somit würden optimale Bedingungen für eine beschleunigte Verwitterung von Olivin (und somit einem CO2-Entzug aus der Atmosphäre) erreicht.

Die theoretische Studie von Köhler und seinen Mitautoren Prof. Dr. Jens Hartmann (KlimaCampus, Universität Hamburg) und Prof. Dr. Dieter Wolf-Gladrow (Alfred-Wegener-Institut) schätzt die Folgen und das Potential zur Umlagerung von atmosphärischem CO2 in Bikarbonat im Ozean ab, die die Anwendung eines solchen Verfahrens in den Einzugsgebieten großer Flüsse in den Tropen haben könnte. Die drei wichtigsten Erkenntnisse sind:

1. Für jede Tonne CO2, die durch dieses Verfahren aus der Atmosphäre in den Ozean verlagert werden könnte, ist die Lösung von etwa einer Tonne Olivin notwendig.
2. Eine großskalige Verwitterung von Olivin an Land führt zu einer beträchtlichen Erhöhung der pH-Werte in Flüssen (river-alkalinization im Kontrast zu Ozeanversauerung: ocean-acidification).
3. Die endliche Löslichkeit von Kieselsäure (einem Nebenprodukt der Olivin-Verwitterung) wird das Potenzial der Olivin-Geoengineering-Methode zusätzlich beschränken. Aus diesem Grund wird das maximale Potenzial, mit dieser Methode atmosphärisches CO2 umzulagern auf ein Petagramm Kohlenstoff pro Jahr geschätzt (Pg C yr-1; 1 Petagramm = 1015 g).

„Die Olivin-Verwitterung an Land könnte eine Methode zur Verlagerung atmosphärischen Kohlendioxids in den Ozean sein“, so Köhler. „Allerdings müsste vorher genau untersucht werden, wie sich die von uns prognostizierten, lokalen pH-Wert-Veränderungen auf Flussökosysteme und angrenzende Lebensräume auswirken.“ Die Löslichkeitsgrenzen für Kieselsäure führen außerdem dazu, dass das CO2-Reduktionspotenzial einer künstlich erhöhten Olivin-Verwitterung eine Größenordnung unterhalb der heutigen anthropogenen CO2-Emissionen liegt. Zum Vergleich: Dem Verlagerungspotenzial von bis zu 1 Pg C pro Jahr durch die vorgeschlagene Methode stehen heutzutage CO2-Emissionen von mehr als 10 Pg C pro Jahr gegenüber.

„Mit der vorgeschlagenen Methode erscheint es daher nicht möglich, heutige und zukünftige Treibhausgasemissionen zu neutralisieren“, so Köhler weiter. Die Methode könne aber in Verbindung mit anderen Methoden einen Beitrag zur Stabilisierung und Reduktion der atmosphärischen CO2-Konzentration liefern. Darüber hinaus würde sie dem gegenwärtigen Trend zur Versauerung des Ozeans entgegenwirken. Weiterhin gibt Köhler zu bedenken, dass für den großskaligen Einsatz der Methode große Mengen an Olivin abgebaut, transportiert und gemahlen werden müssten: „Die Menge an zusätzlich verwittertem Olivin, die notwendig ist, um diese CO2-Verlagerung zu erreichen, liegt in der Größenordnung des heutigen weltweiten Kohleabbaus.“

Hintergrund: Klimaschutz und Geoengineering

Mit dem Scheitern der UN-Klimakonferenz in Kopenhagen im Dezember 2009 gibt es für den Zeitraum ab 2012 nach dem Auslaufen des Kyoto-Protokolls kein verbindliches Regelwerk für den Klimaschutz. Das einzige Ergebnis dieser UN-Klimakonferenz war der „Copenhagen Accord“, ein völkerrechtlich nicht bindendes politisches Papier, in dem das Ziel zur Kenntnis genommen wird, die Erderwärmung auf weniger als 2°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu begrenzen.

Die weiterhin ansteigenden CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen und Entwaldung erreichten in 2008 mehr als 10 Pg C yr-1. Sie liegen damit am oberen Ende der prognostizierten Emissionen, die den Zukunftsszenarien des Weltklimaberichts (IPCC-Bericht) zu Grunde liegen. Bereits im vergangenen Jahr stieg der Jahresmittelwert in der atmosphärischen CO2-Konzentration auf 387 ppmv und liegt damit mehr als 100 ppmv über dem vorindustriellen Wert von etwa 280 ppmv. Es ist daher anzunehmen, dass mit dem bisher wenig veränderten globalen Nutzerverhalten im Energieverbrauch das Ziel einer globalen Erwärmung von weniger als 2°C nicht erreicht werden kann.

„Die Reduktion der Treibhausgasemissionen zum Erreichen der Klimaschutzziele wird als der Königsweg angesehen und damit verbundene Anpassungsmaßnahmen erscheinen vielen Menschen noch akzeptabel“, ordnen die Autoren der Studie ein. „Die Erwähnung von Geoengineering löst in der Öffentlichkeit jedoch Unbehagen aus: Wie kann die Menschheit sich anmaßen, das globale Klima verändern zu wollen? In Wahrheit haben wir das Weltklima durch den anhaltenden Ausstoß von Treibhausgasen schon verändert und verändern es noch weiter. Allerdings war dies nicht unser Ziel, sondern eine ‚Nebenwirkung’ unseres reichlichen Energieverbrauchs, der zu großen Teilen immer noch aus fossilen Energieträgern (Kohle, Öl, Gas) gespeist wird.“

Unter dem Begriff Geoengineering (oder auch Climate Engineering) werden eine Vielzahl von Methoden zusammengefasst, deren großskalige Anwendungen zu einer Beeinflussung des globalen Klimas führen sollen. Es werden zwei Gruppen von Verfahren unterschieden. Die so genannten Methoden zum Management der solaren Einstrahlung haben zum Ziel, die Energieeinstrahlung von der Sonne auf den Erdboden zu reduzieren, z.B. durch Spiegel im Weltraum oder den Eintrag kleinster Partikel, Aerosole genannt, in die Stratosphäre, der Erdatmosphäre oberhalb von 10 km Höhe. Dagegen versuchen die Verfahren zur Entsorgung von Kohlendioxid (CDR = carbon dioxide removal) der Atmosphäre CO2 zu entziehen und in anderen Speichern langfristig zu lagern, beispielsweise als Holzkohle in Böden.