Aerosole und Wolken sind entscheidende Faktoren im globalen Klimasystem. Ihre Fähigkeit, Sonnenstrahlung zu reflektieren, wird stark von der Menge an Wasser beeinflusst, die sie anziehen können. Diese Eigenschaft, bekannt als Hygroskopizität, wird in der aktuellen Klimaforschung oft vereinfacht dargestellt. Eine internationale Studie, geleitet vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig, hat jedoch gezeigt, dass diese Modelle insbesondere in städtischen Gebieten ungenau sind.
In stark verschmutzten und chemisch komplexen Regionen, wie zum Beispiel Delhi oder Kairo, wird ein verstärktes hygroskopisches Wachstum von Aerosolen beobachtet. Dies führt zu einer erhöhten Wasseraufnahme und könnte die regionalen Abkühlungstrends oder die geminderte Erwärmung in Teilen Asiens und Afrikas erklären. Diese Ergebnisse wurden im Fachjournal Communications Earth & Environment veröffentlicht.
Atmosphärische Partikel beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erde auf verschiedene Weise. Sie reflektieren nicht nur Sonnenlicht, sondern dienen auch als Keime für die Wolkenbildung. Die Menge an Wasserdampf, die sich an diesen Partikeln anlagert, hat direkte Auswirkungen auf die Bildung und Eigenschaften von Wolken. Die Hygroskopizität von Aerosolen ist ein wesentlicher Parameter, der die Unsicherheiten in Klimaprognosen bestimmt. Trotz umfassender Untersuchungen zu Wolkenkondensationskeimen bleibt das hygroskopische Wachstum von Aerosolen unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen, insbesondere in unberührten Gebieten, weitgehend unerforscht.
Um diese Wissenslücken zu schließen, entwickelten die Forschenden eine Methode, die maschinelles Lernen (ML) nutzt, um die größenabhängige Hygroskopizität (κ) in verschiedenen atmosphärischen Kontexten zu schätzen. Hierbei wurden Daten von zehn Standorten weltweit und über verschiedene Partikelgrößen von 50 bis 300 Nanometern integriert. Durch die Kombination von chemischen Zusammensetzungen, Partikelgrößenverteilungen und meteorologischen Daten konnte das Team die Komplexität der Aerosol-Mischzustände erfassen und gleichzeitig bestehende Datenlücken schließen.
Der Ansatz des Forschungsteams unterscheidet sich von früheren Studien, indem er auf geografisch vielfältige und regional aufgelöste Datensätze zugreift. Dies verbessert sowohl die Vorhersagegenauigkeit als auch die Interpretierbarkeit der Ergebnisse. Shravan Deshmukh vom TROPOS erklärt, dass durch maschinelles Lernen eine größere Datenbasis ausgewertet werden konnte, was zu umfassenderen Ergebnissen führte. Die Hygroskopizitätsmessungen wurden an Standorten weltweit durchgeführt, darunter Beijing, Kairo, Delhi, Deutschland, Namibia, Houston, Paris und andere.
Die Ergebnisse der Studie zeigen einen signifikanten Einfluss extern gemischter Partikel auf die Hygroskopizität, insbesondere in urbanen Gebieten. In stark verschmutzten Metropolen wie denen in Indien oder Ägypten wachsen die Partikel schneller und nehmen mehr Wasser auf, was möglicherweise erklärt, warum sich diese Regionen langsamer erwärmen. Zudem hat das hygroskopische Wachstum in diesen Gebieten potenzielle Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit, insbesondere in Bezug auf Smog, wie durch Drohnenmessungen in Delhi belegt werden konnte.
Die traditionellen Klimamodelle weisen in diesen stark urbanisierten Regionen die größten Fehler auf, da sie oft von idealen Mischungsverhältnissen ausgehen und die Variabilität in Größe und Herkunft der Aerosole nicht berücksichtigen. Diese Ergebnisse betonen die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung der Partikel. Ein zentraler Befund der Studie ist, dass die Hygroskopizität global überwiegend durch den Anteil organischer und anorganischer Stoffe in der Aerosolzusammensetzung bestimmt wird.
Prof. Mira Pöhlker vom TROPOS und der Universität Leipzig hebt hervor, dass die regionalen Schätzungen der Hygroskopizität eine verbesserte und datengestützte Darstellung der Aerosole liefern. Diese Erkenntnisse könnten dazu führen, die Unsicherheiten bei der Schätzung des direkten Strahlungsantriebs in zukünftigen Klimamodellen zu verringern. Der Einsatz solcher regionalen Schätzungen könnte den direkten Strahlungsantrieb um bis zu ±0,1 Watt pro Quadratmeter verändern, was auf globaler Ebene signifikante Auswirkungen haben könnte.
Das Forschungsteam hofft, dass der entwickelte Algorithmus in globale Klimamodelle integriert wird, was möglicherweise zu einer präziseren Einschätzung der Aerosol-Strahlungs-Wechselwirkungen führen könnte. Die Erkenntnisse dieser
