Wetterextreme 11.01.2021, 07:00 Uhr

Überraschende Erklärung: Wie Luftverschmutzungen gefährliche Gewitter auslösen

Weltweit gelangt Staub aus anthropogenen und aus natürlichen Quellen in die Atmosphäre. Wie diese Partikel heftige Gewitter triggern, haben MIT-Forscher jetzt anhand einer Simulation in Erfahrung gebracht.

Wissenschaftler haben einen neuen Mechanismus entdeckt, durch den Aerosole Gewitter in tropischen Regionen verstärken können.
Foto: MIT

Wissenschaftler haben einen neuen Mechanismus entdeckt, durch den Aerosole Gewitter in tropischen Regionen verstärken können.

Foto: MIT

Schon lange wissen Forscher aus Beobachtungen der Erdatmosphäre, dass Gewitter bei verschmutzter Luft und hohen Aerosol-Konzentrationen häufiger auftreten und stärker ausfallen als unter vergleichbaren klimatischen Bedingungen mit sauberer Atmosphäre. So gibt es mehr Blitzeinschläge entlang von Schifffahrtsrouten, denn Frachter geben große Mengen an Partikeln in die Atmosphäre ab. Als Vergleich ziehen Wissenschaftler den umgebenden Ozean ohne Schiffe heran. Und heftige tropische Gewitter bauen sich meist über dem Land auf, wo durch natürliche oder anthropogene Quellen viele Teilchen in der Luft sind. Welche Mechanismen hinter diesem Zusammenhang stecken, war bislang aber unbekannt.

Jetzt hat eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge eine Erklärung für das Phänomen gefunden. Anhand mathematischer Simulationen der Wolkendynamik zeigen sie, dass hohe Aerosol-Konzentrationen die Gewitteraktivität erhöhen, indem sie den Wassergehalt in der umgebenden Luft von Wolken erhöhen. Dieser neue Mechanismus könnte in Wetter- und Klimamodelle integriert werden, um vorherzusagen, wie sich die Gewitteraktivität einer Region ändert, falls durch anthropogene Ursachen mehr Aerosole in die Luft gelangen.

Die MIT-Forscher liefern damit auch ein weiteres Argument zur Vermeidung solcher Emissionen. „Es ist möglich, dass durch die Beseitigung der Umweltverschmutzung an Orten weniger Gewitter und weniger Stürme auftreten“, erklärt Tim Cronin vom MIT. Insgesamt zeige die Studie, dass der Mensch das Klima auf eine Art und Weise beeinflusse, die früher nicht berücksichtigt worden sei.

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Simulation der Wolkenbildung am Computer

Zum Hintergrund: Aerosole entstehen durch anthropogene Prozesse wie den Ausstoß von Verbrennungsmotoren, die Emission von Fabriken oder die Verfeuerung von Holz. Aber auch natürliche Phänomene wie Vulkanausbrüche oder Staub, der vom Wind aufgewirbelt wird, führen zum Eintrag von kleinen Teilchen in die Atmosphäre und damit zur Aerosolbildung.

An den Oberflächen der Partikel kann Wasserdampf aus der Umgebung kondensieren. Feine Tröpfchen entstehen und bilden eine Wolke. Sie aggregieren, bilden größere Tröpfchen, und fallen schließlich als Regen zu Boden. Ist die Konzentration an Teilchen aber hoch, bilden sich zwar feine Tröpfchen, regnen jedoch nicht ab. Warum es bei diesem Szenario zu kräftigen Gewittern kommt, war unbekannt.

Für ihre mathematische Modellierung verwendeten die MIT-Ingenieure ein idealisiertes System. Es beschreibt die Dynamik von Wolken in einem Würfel mit 128 Kilometern Kantenlänge über dem tropischen Ozean. In dieser Volumeneinheit wurden verschiedene Parameter geändert, um zu sehen, wie sich die Wolkenbildung verändert, falls sich die Aerosolkonzentration erhöht. Damit allein konnten Forscher die Bildung starker Gewitter aber nicht erklären.

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Einfluss der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit auf Gewitter

Deshalb durchsuchten sie die Literatur zur Wolkendynamik. Ältere Arbeiten wiesen auf einen Zusammenhang zwischen der Wolkentemperatur und der Luftfeuchtigkeit hin. Diese Studien zeigten, dass sich Wolken beim Aufsteigen mit der Luft um sie herum vermischen, einen Teil ihrer Feuchtigkeit abgeben und selbst dadurch etwas abkühlen. Falls die umgebende Luft trocken ist, kann sie mehr Feuchtigkeit von einer Wolke aufnehmen und deren Innentemperatur stärker senken, sodass die mit kalter Luft beladene Wolke langsamer aufsteigt. Falls jedoch die Umgebungsluft relativ feucht ist, kühlen sich Wolken weniger stark ab und steigen schneller auf. Das erzeugt einen Aufwind, und Gewitter können entstehen.

MIT-Forscher wollten jetzt wissen, ob dieser Mechanismus bei der Wirkung von Aerosolen auf Gewitter eine Rolle spielen könnte. Wenn eine Wolke viele Aerosolpartikel enthält, die Regen unterdrücken, gibt sie möglicherweise mehr Wasser in die Umgebung ab. Dies könnte wiederum die Luftfeuchtigkeit erhöhen und eine günstigere Umgebung für die Bildung von Gewittern schaffen: eine mögliche Hypothese, die am Computer überprüft wurde. Entsprechende Rahmenbedingungen reichten von einem niedrigen Aerosolgehalt wie in abgelegenen Regionen über dem Ozean mit sauberer Luft bis hin zu Umgebungen mit hohem Aerosolgehalt durch relativ stark verschmutzte Luft in der Nähe von Großstädten.

Dabei zeigte sich: Niedrige Wolken mit hohen Aerosol-Konzentrationen regnen mit geringer Wahrscheinlichkeit ab. Eher nimmt ihre Umgebung Wasserdampf auf. Eine feuchte Schicht entsteht, und starker Aufwinde sind wahrscheinlicher. Die „Blase“ aus warmer und feuchter Luft steigt in Höhen von zehn bis 15 Kilometer auf. Solche Rahmenbedingungen sind erforderlich, damit Gewitter entstehen. Dieser Mechanismus könne dabei helfen, Gewitter abhängig von der Konzentration an Aerosoloen und auch an Staub vorherzusagen, erklärt Tristan Abbott vom MIT.

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Von Michael van den Heuvel

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