Ist gute Luft an der Hitze schuld?

Die Hitzewellen in Westeuropa sind extremer als Klimamodelle vorhersagten. Ist die starke Erwärmung der Preis für weniger Luftverschmutzung?

Wir erleben hautnah, wie sich unser Klima rasant erwärmt: In Österreich beträgt die Temperaturzunahme seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und für die Jahre 1991–2020 (das ist die aktuelle Referenzperiode der Weltorganisation für Meteorologie, WMO), knapp zwei Grad Celsius.

Der Löwenanteil dieser Erwärmung hat sich in den letzten Jahrzehnten abgespielt, und zeigt sich im Sommer besonders deutlich: Zwischen 1991 und 2020 waren sommerliche Temperaturen in Österreich im Durchschnitt um 1,8 Grad Celsius höher als im Vergleich zu den Jahren 1961 bis 1990

Doch die meisten der derzeit verfügbaren, hochaufgelösten Computersimulationen, die insbesondere für Österreich und andere Alpenländer mit vielen Bergen und Tälern besonders wichtig sind, unterschätzen diese Erwärmung. Woran liegt das, und was bedeutet das für uns? 

Um dieser Frage nachzugehen, lohnt sich ein Sprung von etwa 180 Jahren in die Vergangenheit. Denn bereits zur Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckte Eunice Newton Foote mit einem einfachen Experiment den Treibhauseffekt: Ein Glasbehälter erwärmt sich schneller im Sonnenlicht, wenn er mit Kohlendioxid statt Luft gefüllt ist. Foote vermutete deshalb, dass Veränderungen des atmosphärischen Kohlendioxidgehalts mit Temperaturschwankungen einhergehen würden. Heute enthält die Luft gut fünfzig Prozent mehr Kohlendioxid als zu den Lebzeiten von Foote, und hat sich weltweit bereits um deutlich mehr als ein Grad Celsius erwärmt. Der Zusammenhang ist klar und wissenschaftlich breit abgesichert: die Temperaturen steigen an, weil wir Menschen die Erde und insbesondere die Zusammensetzung unserer Atmosphäre verändern.

Wie Aerosole wirken

Doch seit Footes Entdeckung des Treibhauseffekts – grob 180 Jahre später – haben sich nicht nur unsichtbare Treibhausgase wie Kohlendioxid oder Methan in der Luft angesammelt, sondern auch andere chemische Verbindungen, zum Beispiel Schwefeldioxid. Aus diesen Emissionen entstehen neue Verbindungen und Aerosole, winzige Schwebepartikel in der Luft.

Manche dieser Aerosole streuen das Sonnenlicht und wirken kühlend, etwa Sulfat-Aerosole, die sich aus dem Schwefeldioxid bilden, das bei der Verbrennung von Öl, Benzin, Diesel und Gas freigesetzt wird. Andere Aerosole wiederum, zum Beispiel Industrieruß, absorbieren Sonnenstrahlung und wirken deshalb wärmend.

Wenn in diesem Text von „Luftverschmutzung“ die Rede ist, sind also Luftschadstoffe gemeint, denn die wichtigsten Treibhausgase wie Kohlendioxid oder Methan beeinflussen zwar unser Klima in für uns schädlicher Weise und sind insofern ebenso verschmutzend wie bestimmte Aerosole, sie sind für uns Menschen jedoch nicht unmittelbar schädlich und auch nicht direkt wahrnehmbar.

Im Gegensatz zu Kohlendioxid, das chemisch sehr stabil ist, hunderte bis tausende Jahre in der Atmosphäre verbleibt und sich weltweit relativ gleichmäßig verteilt, ist die Wirkung der Aerosole deutlich lokaler, unter anderem, weil vor allem die bodennah entstehenden Partikel nur einige Tage oder Wochen in der Luft verbleiben. Die Dauer des Verbleibs hängt von der Art der Aerosolpartikel ab und auch von den Luftschichten in denen sie ausgestoßen werden.

Vulkanausbrüche etwa katapultieren Aerosole in die Stratosphäre, wo die Partikel sich auch mehrere Jahre halten können. Näherungsweise kann man festhalten: Je bodennäher Aerosole sind, desto kurzlebiger sind sie. Diese Tatsache ist einer der Gründe, warum regionale Klimamodelle die Entwicklung bei den Abgasen einbeziehen müssen, um die erwartbare Temperaturentwicklung richtig einzuschätzen.

Global gesehen dominieren durch Abgase die Sulfat-Aerosole. Es sind sogenannte streuende Aerosole, die die eintreffende Energie, das Sonnenlicht, weit verteilen, teilweise wieder zurück reflektieren, sodass weniger Energie unten ankommt. Auf diese Weise dämpfen Schwefeldioxide aus denen dann Sulfat-Aerosole werden, die von Treibhausgasen angefachte Erwärmung deutlich: Sie halten einen Teil der Energie von der Erdoberfläche fern. In der Forschung spricht man von einem Maskierungseffekt: Aktuellen Schätzungen zufolge wäre die mittlere globale Temperatur ohne menschlich verursachte Schwefeldioxid-Emissionen bereits um etwa 0,5 Grad Celsius stärker angestiegen als sie es ist. 

Wie man den Maskierungseffekt misst

Doch wie wird nun der Maskierungseffekt von Aerosolen gemessen? Und warum spielt dieser Maskierungseffekt überhaupt eine Rolle? Den Berechnungen und den Zahlenwerten der Klimamodelle liegen Computersimulationen zugrunde, die das Klimasystem so realistisch wie möglich darstellen: Man simuliert, wie sich die Temperatur verändert, wenn Treibhausgase oder eben Aerosole hinzugefügt oder weggelassen werden.

Die komplexen Berechnungen sind möglich, weil man aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Wasserdampf weiß, dass diese Moleküle in der Lage sind, die Wärmeabstrahlung der Erde zu blockieren und auch präzise quantifizieren kann, in welchem Ausmaß sie das tun. So weiß man, dass die Erde ungemütlich kalt wäre, wenn es keine natürlichen Treibhausgase wie etwa Wasserdampf gäbe. Ohne jeglichen Treibhauseffekt läge die globale Mitteltemperatur überhaupt bei minus 13 Grad Celsisus. Der Treibhauseffekt und die Treibhausgase sind also nicht per se schlecht, doch man sieht auch, wie sehr sie das Klima aus dem Gleichgewicht bringen können.

Messungen in der Atmosphäre, im Boden, im Ozean und die Analyse von Schichten von Eisbohrkernen, Meeressedimenten usw. geben Aufschluss über Klimaereignisse der Vergangenheit und Gegenwart (die Aktivität der Sonne, Vulkanausbrüche, die zyklischen Schwankungen der Umlaufbahn der Erde), über die Konzentrationen von Treibhausgasen in der Luft und auch über die Temperaturen. Somit können natürliche Faktoren wie die erwähnten Schwankungen in der Sonnenaktivität oder Vulkanausbrüche, bei denen Treibhausgase als auch Aerosole in die Luft gelangen, in die Simulationen einbezogen werden.

Würde man nun in die Berechnungen nur die genannten natürlichen Faktoren einbeziehen, bliebe die weltweite Erderwärmung der letzten 150 Jahre allerdings immer noch ein Rätsel. Um diesen Temperaturanstieg zu erklären und somit auch zukünftige Entwicklungen simulieren zu können, müssen zwingend auch menschliche Einflüsse, wie zum Beispiel die Nutzung fossiler Brennstoffe und daraus resultierende Abgase berücksichtigt werden.

Diese Abgase enthalten nun zum einen Treibhausgase wie das viele Jahrhunderte in der Luft verbleibende Kohlendioxid, das der wesentliche Treiber der Erwärmung ist. Zugleich werden aber auch deutlich kurzlebigere, meist kühlend wirkende Aerosole ausgestoßen. Somit wird ein Teil des zusätzlichen Treibhauseffekts kaschiert. In den globalen Simulationen, auf denen die vom Weltklimarat IPCC bereitgestellten Prognosen der Temperaturentwicklung beruhen, ist der Effekt von Aerosolen deshalb bereits berücksichtigt. Die globale Temperaturentwicklung wird von den globalen Modellen also korrekt abgebildet.

Hitzeblind: Regionale Modelle

Es gibt nun, grob gesprochen, zwei Arten von Simulationen: die erwähnten globalen Modelle und regionale Modelle. Computersimulationen, die die Temperaturentwicklung abbilden sollen, werden also grobmaschig für die ganze Erde gerechnet sowie höher aufgelöst für einzelne Erdregionen, etwa Europa. Der wesentliche Unterschied ist die Auflösung: Österreich zum Beispiel wird in globalen Simulationen durch fünf bis zehn sogenannte Gitterzellen bzw. dreidimensionale Gitterboxen dargestellt. Das reicht aus, um mit den entsprechenden Daten die globale Temperaturentwicklung zu simulieren.

In diesen globalen Simulationen sind aber regionale Besonderheiten wie zum Beispiel die Alpen, die Klima und Wetter stark beeinflussen, entsprechend kaum erkennbar. Dafür gibt es dann die regionalen Modelle. Die Anzahl der Gitterboxen für eine einzelne Region ist derzeit etwa um den Faktor 100 größer als bei den globalen Modellen. So lassen sich präzise Berechnungen für ein bestimmtes Gebiet anstellen.

Simulationen sind generell sehr aufwändig und benötigen große Rechenkapazitäten. Je kleinteiliger eine Simulation, umso länger dauert sie. Aerosole und ihre Wirkung zu simulieren ist aufwändig und benötigt zusätzliche Rechenzeit, was wiederum Zeit und daher Geld kostet.

Aus diesen Gründen rechnen die regionalen Computermodelle bisher mehrheitlich mit konstanten Aerosolen, das heißt, es werden in den Projektionen keine Reduktionen bei den Abgasen berücksichtigt. Dies verzerrt nun aber bei den regionalen Modellen die Ergebnisse, denn die Effekte streuender Aerosole sind ja lokal begrenzt: Sie wirken dort, wo sie ausgestoßen werden, also bodennah und räumlich begrenzt, abhängig von Druckverhältnissen, der Topografie, den Windverhältnissen, der Temperatur usw.

Besonders für Alpenländer in Europa ist es daher sehr sinnvoll, zusätzlich zu den globalen Simulationen hochaufgelöste regionale Modelle zu verwenden, die auch die Aerosol-Effekte einbeziehen. Tut man dies nicht, wird die Temperaturentwicklung deutlich unterschätzt – was bisher eben der Fall war. Wird mit konstanten Aerosolen gerechnet, ist nicht erklärbar, warum Westeuropa sich bereits derart stark erwärmt hat.

Das zeigt sich, wenn man die Ergebnisse regionaler Modelle mit und ohne Aerosol-Effekte miteinander vergleicht: Der schwarzen Linie in der Abbildung oben liegen vier regionale Simulationen zugrunde, die jeweils den Maskierungseffekt der Aerosole berücksichtigen. Von diesen vier Simulationen wurde der Mittelwert genommen. Die Projektion zeigt somit, welcher Temperaturanstieg in Zukunft für Westeuropa zu erwarten ist, wenn der Ausstoß von Aerosolen reduziert ist (was er ja ist) und weiter reduziert wird (wovon auszugehen ist).

Die rote Linie beruht auf neun regionalen Simulationen, wieder wurde davon ein Mittelwert errechnet, diesmal aber fehlt die Berücksichtigung der Aerosole – es wird so getan, als sei der Ausstoß an Aerosolen konstant, anders formuliert, als gäbe es den beschriebenen Maskierungseffekt nicht. Man sieht, dass die Simulationen mit Aerosol-Effekt ziemlich nahe an den Beobachtungsdaten liegen, die anderen Berechnungen ohne Aerosoleffekt aber nicht.

Für die zukünftige Erwärmung, die uns erwartet, haben wir die Annahme getroffen, dass auch in den nächsten Jahrzehnten voll auf fossile Treibstoffe gesetzt wird. Glücklicherweise sind wir nicht auf diesem Kurs, auch wenn sich zeigt, dass das globale 1,5 Grad-Limit bedroht ist und wir möglicherweise sogar das globale Zwei-Grad Ziel deutlich verfehlen. Bei den derzeitigen Klimaschutzmaßnahmen landen wir 2100 bei einer globalen Erwärmung von etwa drei Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau.

Hitzewellen der Zukunft

Der Unterschied zwischen den verschiedenen Modellvorhersagen zeigt an, wie sehr unsere Abgase – und konkreter die Aerosole – der Erwärmung entgegenwirken würden, falls diese auf dem Stand vom späten 20. Jahrhundert bleiben würden.

Bedeutet dies nun umgekehrt, dass wir zum Beispiel einfach mehr Schwefeldioxid (oder andere Substanzen, die letztlich einen kühlenden Effekt auf das Klima haben) in die Luft blasen sollten? Definitiv nicht, denn Luftverschmutzung hat einen hohen Preis: Luftverschmutzung durch Aerosole führt allein in Europa jedes Jahr zu etwa 500.000 Todesfällen, und dass, obwohl die Luft hier bereits viel sauberer geworden ist. Die Todeszahlen sind weltweit noch viel höher – die Weltgesundheitsorganisation geht von sieben Millionen Toten jährlich aus.

Tragischerweise ist Luftverschmutzung umso tödlicher, je heißer es wird: Während Hitzewellen, die mehrere Tage oder sogar Wochen andauern können, blockiert ein Hochdruckgebiet über Westeuropa normalerweise die vom Atlantik kommenden Westwinde. Das bedeutet, die schlechte, durch Abgase verpestete Luft steht, und die Schadstoffe akkumulieren sich. Die körperliche Belastung durch die Hitze wird noch potenziert.

Es wäre also geradezu grotesk, die durch Katalysatoren und andere technische Fortschritte erzielten Verbesserungen der Luftqualität wieder rückgängig zu machen, um dem wärmenden Effekt der Treibhausgase stärker entgegenzuwirken. Zwar gibt es auch Ideen, diese Aerosole einfach weiter oben in der Atmosphäre zu verteilen, in der sogenannten Stratosphäre, doch die Auswirkungen sind nicht gut erforscht, und es wäre wesentlich sinnvoller, bei der Wurzel des Problems anzusetzen, nämlich bei den Treibhausgasen.

Uns erwarten in Zukunft mehr und intensivere Hitzewellen. Auch andere Studien haben darauf hingewiesen, dass die langjährigen Änderungen von Aerosolen in Klimasimulationen wichtig sind, da andernfalls die gemessene Zunahme der Sonnenstrahlung in Europa, die Menge an Energie, die tatsächlich wirksam wird, nicht dargestellt werden kann. Regionale Modelle ohne Aerosoleffekte weisen eine vergleichsweise geringe Erwärmung auf.

Unsere kürzlich veröffentlichte Studie vergleicht im Unterschied dazu die historische Erwärmung sowie die Abweichung von beobachteten Temperaturdaten, und geht dadurch einen Schritt weiter: Wird nämlich die Verringerung der Luftverschmutzung über Europa nicht berücksichtigt, so führt dies zu einer markanten Unterschätzung der gemessenen Temperaturzunahme. Da dieser Effekt mit der maximal möglichen Sonneneinstrahlung zusammenhängt, ist er vom Winter abgesehen zu allen Jahreszeiten in Europa relevant. Er zeigt sich im Sommer nur am deutlichsten. 

Ein Grund für Geoengineering?

Diese Unterschätzung der Erwärmung seit dem späten letzten Jahrhundert wird künftig nur noch deutlicher, wobei es schwierig ist, sie exakt zu quantifizieren – dafür sind zu wenige hochaufgelöste Simulationen verfügbar, die die in Europa abnehmende Luftverschmutzung simulieren.

Da die Daten dieser Modelle die Grundlage diverser Klimaberichte von europäischen Ländern bilden, muss diese Abweichung aber künftig stärker berücksichtigt werden. Europa erwärmt sich mindestens doppelt so stark wie die ganze Erde; es stellt sich daher auch die Frage, ob wir, statt die Sonnenstrahlung durch Aerosole zu modifizieren, die Treibhausgase einfach wieder aus der Luft filtern sollten?

Der Entzug von Kohlendioxid aus der Atmosphäre wird derzeit fast ausschließlich durch Bewaldung und Wiederaufforstung bewerkstelligt. Fünf bis sechs Prozent des ausgestoßenen Kohlendioxids können so wieder aus der Atmosphäre geholt werden. Es existieren auch schon künstliche Methoden und die Technologien werden laufend verbessert, dennoch bleibt unklar, wie viel Kohlendioxid in einigen Jahrzehnten aus der Atmosphäre entfernt werden kann.

Wir sollten solche Ansätze unbedingt verfolgen, um die zusätzliche Erwärmung ab heute so stark wie möglich zu limitieren, doch weil wir nicht wissen, wie gut das klappen wird und die Technologie noch nicht so weit ist, bleibt eine schnelle und starke Reduktion der Nutzung von fossiler Energie die beste Möglichkeit. Das Klimasystem ist wie ein Dampfer, der so richtig Fahrt aufgenommen hat: Wir werden einen heutigen Kurswechsel wohl erst in einigen Jahrzehnten spüren, doch lohnen wird es sich allemal – je stärker sich die Erde erwärmt, desto mehr nehmen Wetterextreme wie Hitzewellen und Starkniederschläge zu und Ernteausfälle häufen sich. Je länger wir warten, desto teurer wird uns das letztlich stehen kommen.

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