Emissionen von SO2 in der Stratosphäre oder Stratosphärische Aerosol-Intervention (SAI)

Geoengineering mit Sulfataerosolen hat ein natürliches Analogon: Vulkaneruptionen. Durch die Beobachtung der klimatischen Auswirkungen von Vulkaneruptionen entstand die Idee, eine künstliche Sulfatschicht in der Stratospäre zu erzeugen (Bodyko (1977); Crutzen (2006)). Bei einem starken Vulkanausbruch wird SO2 in die Stratosphäre emittiert und dort durch mikrophysikalische Prozesse zu Sulfataerosolen umgewandelt. Diese absorbieren Sonnenlicht und kühlen die Erdoberfläche durch verminderte Sonneneinstrahlung.

Ein Schwerpunkt unserer Forschung lässt sich in der Frage zusammenfassen: "Könnten Injektionen von Schwefel in die Stratosphäre dazu beitragen, dem Klimawandel entgegenzuwirken?” (Niemeier und Tilmes, 2017). SAI-Techniken wurden bisher nicht entwickelt und das Wissen über die Auswirkungen basiert nur auf numerischen Modellstudien. Dazu versuchen wir am Computer den Lebenszyklus von Sulfat zu berechnen. Schwefeldioxid (SO2) wird für SAI in ca 20 km Höhe in die Stratosphäre eingebracht. Aus SO2 entwickeln sich kleine Teilchen, Sulfateaerosole. Diese werden mit Luftströmungen über die ganze Erde verteilt und wachsen mit der Zeit an. Große Sulfatteilchen sinken ab und fallen aus der Stratosphäre heraus. Daher sollten die Teilchen nicht zu sehr anwachsen (< 0.5 mum), zudem haben kleine Teilchen bessere Strahlungseigenschaften. Sulfate streuen von der Sonne einfallendes Licht. Dadurch fällt weniger Sonnenlicht auf den Erdboden und es wird weniger warm, das Ziel von SAI. Kleinere Teilchen können Licht besser streuen und sind deshalb effektiver darin die Erde zu kühlen. Gleichzeitig nehmen Sulfate aber Wärmestrahlung der Erde auf, sie absorbieren. Dadurch erwärmt sich die künstliche Sulfatschicht in der Stratosphäre, was die Strömungsverhältnisse dort verändert. Z.B gibt es in der tropischen Stratosphäre starke Ost- oder Westwinde, die sich etwa alle zwei Jahre abwechseln, die sogenannte quasi zweijährige Oszillation (QBO). Diese Osziallation wird durch die erwärmte Sulfatschicht gestört, hin zu konstanten Westwinden (Niemeier und Schmidt, 2017; Franke et al, 2021). Unsere Modellsimulationen zeigen auch, dass die Effizienz der Injektion mit zunehmender Injektionsrate abnimmt (Abbildung unten; Niemeier und Timmreck, 2015). Die Abbildung zeigt die Ergebnisse verschiedener Modelle, welche die Strahlungsauswirkungen (radiative forcing, RF) für verschiedene Injektionsmengen berechnet haben. RF ist propotional zu Temperaturänderungen am Boden. Die Ergebnisse weichen stark voneinander ab, die resultierende Abkühlung ist also sehr verschieden. Bei höheren Injektionsraten werden die Teilchen größer und liegen nicht mehr in dem zur Streuung optimalen Größenbereich. Es wäre aber theoretisch trotzdem möglich auch eine starke Klimaerwärmung mit SAI abzumildern.

Abbildung: Effizienz der Strahlungswirkung (radiative forcing) pro injekierte Masse gegen die Injektionsrate aufgetragen. Gezeigt sind Ergebnisse von verschiedenen Modellen. Bei allen Modellen nimmt die Effizienz mit zunehmender Injektiosrate ab. Die Lebenszeit der Aerosole nimmt mit zunehmenden Emissionen ab, da bei höheren SO2 Konzentrationen die Sulfataerosole stärker anwachsen.  Die Fallgeschwindigkeit größerer Aerosole ist höher und damit die Sedimentationsrate.

Eine mögliche optische Auswirkung der Emissionen von SO2 in die Stratosphäre, ist eine stärkere rötliche Färbung des Sonnenunterganges, wie man es auch nach dem Ausbruch des Pinatubos beobachten konnte. Dafür nimmt tagsüber die Streuung an den Aerosolen zu und der Himmel sieht milchig weiß aus. Auf einen tief blauen Himmel müßten die Menschen dann verzichten.

Literatur

Bodyko MI. 1977. Climatic Change. AGU. Washington, D.C : 261.

Crutzen PJ. 2006. Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: A contribution to resolve a policy dilemma?.  Clim Change 77: 211-219.

Niemeier Ulrike, Schmidt H, Timmreck C. 2010. The dependency of geoengineered sulfate aerosol on the emission strategy, Atmos. Sci. Let.,DOI: 10.1002/asl.304

Niemeier Ulrike and Simone Tilmes, Sulfur injections for a cooler planet, Science, Vol. 357, Issue 6348, pp. pp 246-248, DOI: 10.1126/science.aan3317, 2017. (Invited paper)