Gesetz der Rußlichtabsorption: Aktuelle Klimamodelle unterschätzen die Erwärmung durch schwarzes Kohlenstoffaerosol.

Ruß riecht aus Dieselmotoren, steigt aus holz- und mistenverbrennenden Kochherden auf und schießt aus Öllagerstätten. Nach jüngsten Untersuchungen ist die Luftverschmutzung, einschließlich Ruß, mit Herzerkrankungen, einigen Krebsarten und in den Vereinigten Staaten mit bis zu 150.000 Diabetesfällen pro Jahr verbunden.

Neben seinen Auswirkungen auf die Gesundheit ist Ruß, der von Atmosphärenwissenschaftlern als schwarzer Kohlenstoff bezeichnet wird, ein wirksames Mittel zur globalen Erwärmung. Es absorbiert Sonnenlicht und fängt Wärme in der Atmosphäre in Größenordnung von nur wenigen Sekunden nach dem berüchtigten Kohlendioxid ab. Jüngste Kommentare in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences nannten das Fehlen eines Konsenses über die Rußlichtabsorptionsmenge „eine der großen Herausforderungen in der Atmosphären-Klimaforschung“.

Rajan Chakrabarty, Assistenzprofessor an der School of Engineering & Applied Science an der Washington University in St. Louis, und William R. Heinson, Postdoc der National Science Foundation im Labor von Chakrabarty, stellten sich dieser Herausforderung und entdeckten etwas Neues über Ruß, oder besser gesagt, ein neues Gesetz, das seine Fähigkeit zur Lichtabsorption beschreibt: das Gesetz der Lichtabsorption. Damit können Wissenschaftler die Rolle von Ruß beim Klimawandel besser verstehen.

Die Forschung wurde als „Editors‘ Suggestion“ ausgewählt, die am 19. November online in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, Sonnenlicht zu absorbieren und die Umgebungsluft direkt zu erwärmen, integrieren die Klimaforscher Ruß in ihre Modelle – Computersysteme, die versuchen, die Bedingungen der realen Welt zu reproduzieren und dann zukünftige Erwärmungstrends vorherzusagen. Wissenschaftler verwenden reale Beobachtungen, um ihre Modelle zu programmieren.

Es gab jedoch keinen Konsens darüber, wie die Rußlichtabsorption in diese Modelle integriert werden kann. Sie behandeln es übermäßig vereinfachend und verwenden eine Kugel, um ein reines, schwarzes Kohlenstoff-Aerosol darzustellen.

„Aber die Natur ist lustig, sie hat ihre eigenen Möglichkeiten, Komplexität hinzuzufügen“, sagte Chakrabarty. „Nach Masse sind 80 Prozent des gesamten schwarzen Kohlenstoffs, den man findet, immer gemischt. Es ist nicht perfekt, wie die Models es behandeln.“

Die Partikel werden mit organischen Aerosolen gemischt oder beschichtet, die mit Ruß aus einem Verbrennungssystem co-emittiert werden. Es stellt sich heraus, dass schwarzer Kohlenstoff mehr Licht absorbiert, wenn er mit diesen organischen Materialien beschichtet wird, aber die Größe der Absorptionsverbesserung variiert nichtlinear je nachdem, wie viel Beschichtung vorhanden ist.

Chakrabarty und Heinson wollten eine universelle Beziehung zwischen der Menge der Beschichtung und der Fähigkeit von Ruß, Licht zu absorbieren, herausfinden.

Zuerst schufen sie simulierte Partikel, die genau wie in der Natur aussahen, mit unterschiedlichem Grad an organischer Beschichtung. Dann ging das Team mit Techniken, die Chakrabarty aus seiner Arbeit mit Fraktalen übernommen hatte, durch genaue Berechnungen und maß die Lichtabsorption in Partikeln Stück für Stück.

Als sie die Absorptionsmengen gegen den Anteil der organischen Beschichtung aufzeichneten, entstand das, was Mathematiker und Wissenschaftler ein „universelles Machtgesetz“ nennen. Das bedeutet, dass mit zunehmender Beschichtungsmenge die Rußlichtabsorption um ein proportionales Verhältnis zunimmt.

(Die Länge und Fläche eines Quadrats wird durch ein universelles Machtgesetz bestimmt: Wenn Sie die Länge der Seiten eines Quadrats verdoppeln, vergrößert sich die Fläche um vier. Es spielt keine Rolle, was die Anfangslänge der Seite war, die Beziehung wird immer bestehen bleiben.)

Dann wandten sie sich der Arbeit verschiedener Forschungsgruppen zu, die die Absorption von Umgebungsrusslicht auf der ganzen Welt, von Houston über London bis Peking, gemessen haben. Chakrabarty und Heinson haben erneut Absorptionsverbesserungen gegen den Prozentsatz der Beschichtung aufgezeichnet.

Das Ergebnis war ein universelles Machtgesetz mit dem gleichen Verhältnis von einem Drittel, wie es in ihren simulierten Experimenten gefunden wurde.

Bei so vielen unterschiedlichen Werten für die Verbesserung der Lichtabsorption in Ruß sagte Chakrabarty, dass die Klimamodellierer verwirrt seien. „Was um alles in der Welt tun wir? Wie berücksichtigen wir die Realität in unseren Modellen?

„Jetzt hast du Ordnung im Chaos und ein Gesetz“, sagte er. „Und jetzt können Sie es auf eine rechnerisch kostengünstige Weise anwenden.“

Ihre Ergebnisse weisen auch darauf hin, dass die Erwärmung durch schwarzen Kohlenstoff von Klimamodellen hätte unterschätzt werden können. Wenn man von einer kugelförmigen Form für diese Partikel ausgeht und die Verbesserung der Lichtabsorption nicht richtig berücksichtigt, könnte dies zu deutlich niedrigeren Wärmeschätzungen führen.

Rahul Zaveri, Senior Scientist und Entwickler des umfassenden Aerosolmodells MOSAIC am Pacific Northwest National Laboratory, nennt die Ergebnisse einen bedeutenden und zeitnahen Fortschritt.

„Ich bin besonders begeistert von der mathematischen Eleganz und der extremen Recheneffizienz der neuen Parametrisierung“, sagte er, „die sich recht einfach in Klimamodelle umsetzen lässt, wenn die Begleitparametrisierung zur Lichtstreuung durch beschichtete schwarze Kohlenstoffpartikel entwickelt ist“.

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