27. Juni 2019

Kli­ma­aus­wir­kun­gen von Wol­ken aus Flug­zeug­kon­dens­strei­fen kön­nen sich bis 2050 ver­drei­fa­chen

Szenarien für den Strahlungsantrieb heute und 2050
Sze­na­ri­en für den Strah­lungs­an­trieb heu­te und 2050
Bild 1/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Szenarien für den Strahlungsantrieb heute und 2050

Strah­lungs­an­trieb durch die Bil­dung von Kon­dens­strei­fen für heu­ti­gen Kli­ma­be­din­gun­gen und (a) das heu­ti­ge Flug­ver­kehrs­auf­kom­men und (b) das für das Jahr 2050 er­war­te­te Flug­ver­kehrs­auf­kom­men. Die Pa­nels auf der rech­ten Sei­te zei­gen den Strah­lungs­an­trieb für in 2050 er­war­te­te Kli­ma­be­din­gun­gen und (c) das Flug­ver­kehrs­auf­kom­men für das Jahr 2050 und (d) das Flug­ver­kehrs­auf­kom­men für das Jahr 2050 un­ter der An­nah­me ei­ner Stei­ge­rung der Kraft­stof­fef­fi­zi­enz und ei­ner 50-pro­zen­ti­gen Ver­rin­ge­rung der Ruße­mis­sio­nen.
Der Strah­lungs­an­trieb ist ein Maß für den Ein­fluss, den ein Fak­tor auf das Gleich­ge­wicht von her­ein­kom­men­der und ab­ge­hen­der Ener­gie im Sys­tem Erdat­mo­sphä­re hat. Er ist ein In­dex für die Wich­tig­keit ei­nes Fak­tors als po­ten­ti­el­ler Me­cha­nis­mus ei­ner Kli­ma­än­de­rung. Ein ne­ga­ti­ver Strah­lungs­an­trieb ent­zieht der Er­de Ener­gie, führt al­so zu ei­ner Ab­küh­lung der At­mo­sphä­re. Ein po­si­ti­ver Strah­lungs­an­trieb führt der At­mo­sphä­re Ener­gie zu, sie er­wärmt sich. Er wird in Watt pro Qua­drat­me­ter aus­ge­drückt.      
Kondensstreifen-Zirren am Himmel
Kon­dens­strei­fen-Zir­ren am Him­mel
Bild 2/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Kondensstreifen-Zirren am Himmel

Flug­zeug­trieb­wer­ke sto­ßen Ruß­par­ti­kel aus. Die­se wir­ken als Kon­den­sa­ti­ons­kei­me für klei­ne un­ter­kühl­te Was­ser­trop­fen, die so­fort zu Eis­kris­tal­len ge­frie­ren und als Kon­dens­strei­fen am Him­mel sicht­bar wer­den.      
Kondensstreifen-Zirren
Kon­dens­strei­fen-Zir­ren tre­ten häu­fig in Rei­se­flug­hö­he auf, zwi­schen acht und drei­zehn Ki­lo­me­tern Hö­he
Bild 3/3, Credit: Prof. Dr. Stephan Borrmann

Kondensstreifen-Zirren treten häufig in Reiseflughöhe auf, zwischen acht und dreizehn Kilometern Höhe

Kon­dens­strei­fen bil­den sich aus Was­ser­dampf in Ver­bin­dung mit den Ruß­par­ti­keln, die von Flug­zeu­gen aus­ge­sto­ßen wer­den. Nach kur­zer Zeit ent­ste­hen Eis­kris­tal­le in der kal­ten At­mo­sphä­re. Aus die­sen Kon­dens­strei­fen kön­nen sich spä­ter Zir­rus­wol­ken ent­wi­ckeln. Die­se durch den Men­schen ver­ur­sach­ten Eis­wol­ken so­wie die Kon­dens­strei­fen wer­den zu­sam­men­ge­fasst als „Kon­dens­strei­fen-Zir­ren“ be­zeich­net.      
  • Aus Flugzeugen emittierte Rußpartikel führen bei kalten und feuchten Bedingungen zur Bildung von Eiskristallen und bilden Kondensstreifen.
  • Diese anthropogenen Kondensstreifen-Zirren nehmen Einfluss auf das globale Klima.
  • Wichtige Gegenmaßnahmen sind die Verwendung von alternativen Treibstoffen mit  reduzierten Rußpartikel-Emissionen und die Entwicklung emissionsärmerer Flugzeugtriebwerke.
  • Schwerpunkte: Luftfahrt, Atmosphärenforschung, Klimawandel, emissionsarmes Fliegen

Unter feuchtkalten Bedingungen können Kondensstreifen von Flugzeugen und die sich aus ihnen entwickelnden Kondensstreifen-Zirren viele Stunden am Himmel verweilen. Ihre Auswirkungen auf das globale Klimasystem wurden in Emissionshandelsabkommen, die die Flugzeugemissionen beschränken sollen, bislang noch nicht erfasst. Dabei tragen Kondensstreifen in ähnlichem Ausmaß zur Erwärmung der Atmosphäre bei wie die gesamten CO2-Emissionen von Flugzeugen seit Beginn der Luftfahrt. Die Studie "Atmospheric Chemistry and Physics" des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die am 24. Juni 2019 in der Zeitschrift der European Geosciences Union (EGU) veröffentlicht worden ist, ergab, dass die Klimaauswirkungen von Kondensstreifen in Zukunft deutlich zunehmen - und sich bis 2050 verdreifachen werden.

Das Klimaschutzinstrument Corsia (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) der Vereinten Nationen, das ab 2020 als CO2-Kompensationssystem für die internationale Luftfahrt eingesetzt wird, ignoriert CO2-unabhängige Klimaauswirkungen des Luftverkehrs. "Es ist aber wichtig, die signifikanten Auswirkungen von Nicht-CO2-Emissionen wie den Kondensstreifen-Zirren auf das Klima zu untersuchen. Auch diese Effekte müssen bei der Einrichtung von Emissionshandelssystemen wie dem Corsia-Abkommen berücksichtigt werden", sagt Dr. Lisa Bock vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und Hauptautorin der Studie. Dr. Ulrike Burkhardt, Co-Autorin und ebenfalls Atmosphärenforscherin am DLR, ergänzt: "Diese Effekte werden voraussichtlich sogar schneller zunehmen als die CO2-induzierten Auswirkungen, da CO2-Emissionen pro Personenkilometer bereits sinken und weiterhin an Maßnahmen zur Kraftstoffeinsparung geforscht wird".

Die Forscherinnen schätzen, dass der Effekt der Kondensstreifen-Zirren im Jahr 2050 dreimal größer sein wird als im Jahr 2006. In der Zeit wird der globale Flugverkehr voraussichtlich auf das Vierfache gegenüber 2006 anwachsen. Über Nordamerika und Europa werden die Klimaauswirkungen durch Kondensstreifen - den verkehrsreichsten Luftverkehrsgebieten der Welt - weiterhin mit Abstand am größten ausfallen, aber auch in Asien deutlich zunehmen.
DLR-Wissenschaftlerin Bock betont: " Die Kondensstreifen-Wolken selbst, sowie ihre Einflüsse auf die Erdoberfläche, sind laufende Forschungsthemen. Bisher gibt es noch große Unsicherheiten über die Gesamtklimaauswirkungen dieser Wolken insbesondere bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Oberflächentemperatur. Aber eines ist klar: Sie erwärmen die Atmosphäre."

Emissionsarmes Fliegen

Die Anzahl und Größe der Eiskristalle zum Zeitpunkt der Kondensstreifen-Bildung hängt von den Rußpartikelemissionen der Flugzeugtriebwerke ab. Werden sie reduziert, sinkt die Anzahl der Eiskristalle in neu gebildeten Kondensstreifen, was die Eigenschaften, Lebensdauer und Klimawirkung dieser menschenverursachten Höhenwolken verringert. Die Reduktion von Rußemissionen ist daher ein wichtiger Schritt zur Verringerung der Klimawirkung - allerdings ist dies vermutlich nicht genug. "Selbst wenn ein 90-prozentiger Rückgang der emittierten Partikel gelingt, wird es wahrscheinlich nicht ausreichen, um die Klimaauswirkung von Kondensstreifen auf das Niveau von 2006 zu begrenzen", sagt Ulrike Burkhardt.
Eine weitere oft diskutierte Idee ist, Flüge durch die Regionen durch Umleitungen zu vermeiden, in denen sich Kondensstreifen mit hoher Klimawirkung bilden können. Bock und Burkhardt warnen jedoch vor Maßnahmen, die zu einem Anstieg der langlebigen CO2-Emissionen führen, insbesondere angesichts der aktuell noch bestehenden Unsicherheiten der Klimawirkung von Kondensstreifen-Zirren. Maßnahmen, die Rußemissionen reduzieren, sollten stattdessen vorgezogen werden.

DLR-Forschung an der Klimawirkung von Kondensstreifen

Im April 2011 veröffentlichten die Forscher des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre im Journal ‚Nature Climate Change‘, dass sich Kondensstreifen-Zirren etwas stärker auf das Klima auswirken als die gesamten, globalen CO2-Emmissionen der Flugzeuge seit Beginn des Luftverkehrs.

Die Auswirkung verschiedener Zusammensetzungen alternativer Treibstoffe auf die Partikelanzahl-Emissionen und die Eiskristallbildung wurde vom DLR, in Kooperation mit der NASA, im Frühjahr 2018 in der gemeinsamen Flugmesskampagne ND-MAX/ECLIF 2 (NASA/DLR-Multidisciplinary Airborne eXperiments/Emission and CLimate Impact of alternative Fuel) über Deutschland untersucht.
Im Januar 2019 veröffentlichten die DLR-Atmosphärenforscherinnen Ergebnisse aus Klimamodellrechnungen. Sie ergaben, dass reduzierte Rußanzahl-Emissionen aus Triebwerken die Eigenschaften und Lebensdauer von Kondensstreifen-Zirren stark verändern. Erst bei einer starken Reduktion dieser Emissionen ist auch die Klimawirkung stark verringert.

Wie Kondensstreifen entstehen und wirken

In Höhen von acht bis zwölf Kilometern - typischen Reisehöhen von Verkehrs- und Frachtmaschinen - wirken die Rußpartikel aus dem Abgasstrahl der Triebwerke als "Kondensationskeime" für Wassertropfen. Die Tropfen gefrieren zu Eiskristallen und bilden Kondensstreifen am Himmel. Diese menschenverursachten Wolken haben je nach Sonnenstand, also dem Winkel der Sonneneinstrahlung, Bodenbeschaffenheit und natürlicher Wolkenbedeckung einen kühlenden oder wärmenden Effekt. Ein Teil der Solarstrahlung wird von der Zirrus-Wolkendecke reflektiert. Das kühlt die Atmosphäre. Die Wärmestrahlung der Erde wird dagegen von der anthropogenen Wolkenschicht abgeschirmt und führt zur Erwärmung wie in einem Treibhaus. Forschungsarbeiten zeigen, dass die wärmende Wirkung die kühlende im Mittel überwiegt.

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