Vorgestellt: Die Atmosphäre verstehen

Genauere Wetter-, Klima- und Ozonprognosen sind ein Ziel von Thomas Karls Forschung. Er ist seit Januar 2013 Professor für Atmosphärenphysik und forscht unter anderem daran, die Zusammensetzung der Atmosphäre und die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Boden genauer zu verstehen.
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Bild: Prof. Thomas Karl ist seit Januar 2013 an der Universität Innsbruck.

Wetter, Temperatur, Luftfeuchtigkeit: Phänomene, die von unterschiedlichsten Faktoren abhängig sind. Einige dieser Einflussfaktoren kennt die Wissenschaft heute recht genau, andere müssen noch erforscht werden. Unter anderem von Prof. Thomas Karl: Sein Forschungsinteresse gilt der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre und den Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und der Erdoberfläche. Der gebürtige Kitzbüheler ist seit Januar 2013 Professor für Atmosphärenphysik am Institut für Meteorologie und Geophysik (IMGI) in Innsbruck: „Entscheidend für Klima-Prognosen und die Vorhersage des Klimawandels ist unser Verständnis von Spurengasen und Aerosolen in der Atmosphäre.“

Einfluss von Aerosolen

Aerosole sind Gemische aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in der Atmosphäre, die sehr unterschiedlich zusammengesetzt sein können. Zu unterscheiden sind primäre und sekundäre Aerosole: Wenn die festen Bestandteile als solche in die Atmosphäre kommen, spricht man von primären Aerosolen, sekundäre Aerosole entstehen erst durch chemische Reaktionen von Spurengasen in der Atmosphäre. „Bekannt sind Aerosole durch die Feinstaubdebatte, mit freiem Auge meist nicht sichtbar. Unter den Begriff fallen aber auch andere Bestandteile der Luft, die vergleichsweise groß und durchaus auch mit freiem Auge sichtbar sein können, so zum Beispiel Pollen“, erklärt der Wissenschaftler.

Nur rund zehn Prozent der VOCs (volatil organische Verbindungen, engl. volatile organic compounds) sind menschengemacht, der weitaus größte Teil wird von der Vegetation abgegeben. Diese organischen Spurengase werden von der Atmosphäre oxidiert und formen dabei unter anderem sekundäre Aerosole. „Das macht die Prognose auch wesentlich schwieriger: Klimaprognosemodelle müssen nicht nur den von Menschen verursachten Aerosolausstoß, sondern auch diese natürlich gebildeten Aerosole berücksichtigen.  Deren atmosphärischer Kreislauf ist aber noch großteils ungeklärt.“ Es ist auch noch nicht endgültig geklärt, inwieweit organische Aerosole Auswirkungen auf die Wolkenbildung haben.

Genauere Vorhersagen

Prof. Karl hat nach seinem Physikstudium in Graz und dem Doktorat in Innsbruck insgesamt 13 Jahre in Boulder in Colorado (USA) am National Center for Atmospheric Research (NCAR) verbracht. „Boulder ist so etwas wie das Mekka der Atmosphärenforschung, vier größere Institutionen dort forschen auf diesem Feld“, erläutert er. In Boulder konnte Thomas Karl auch eine in Innsbruck entwickelte Methode zur Messung der Teilchendichte für neue Anwendungen weiterentwickeln. „Wir verwenden eine Methode der Massenspektrometrie, die es erlaubt, die Teilchenmengen in der Luft sehr schnell, jede Zehntelsekunde, zu messen. Das ist für die sogenannte Eddykovarianzmethode notwendig, die es erlaubt, Emissionsmengen von Spurenkomponenten in der Atmosphäre zu quantifizieren.“ Eine weitere Forschungsfrage, an der Thomas Karl arbeitet, ist jene nach dem Einfluss von Spurengasen auf das OH-Radikal. „Das OH-Radikal wird auch als Waschmittel der Atmosphäre bezeichnet. Es oxidiert Spurengase, so dass sie über Regen und Trockendeposition wieder auf die Erde kommen – ohne dieses Radikal hätte sich das Leben auf der Erde nie so entwickeln können, wie wir es kennen“, sagt Thomas Karl. Dieses Radikal ist allerdings hochreaktiv, weshalb es nur in geringer Konzentration in der Atmosphäre vorkommt und nur sehr schwer zu messen ist. Die Änderung des OH-Radikals in Bezug auf den Klimawandel ist noch sehr schwer abzuschätzen.

Letzten Endes soll die Forschung von Prof. Karl dazu führen, durch ein präziseres Verständnis der Zusammensetzung der Atmosphäre auch Klimamodelle und Luftqualitätsvorhersagen in Wettermodellen genauer treffen zu können. „Klimamodelle, die weit in die Zukunft reichen, haben oft recht breite Schwankungsbereiche, besonders, wenn die Temperatur vorhergesagt werden soll. Das liegt nicht zuletzt daran, dass wir den genauen Einfluss von Aerosolen auf die Wolkenbildung, den Strahlungshaushalt und vor allem deren genaue Menge nicht kennen und prognostizieren können.“ In Innsbruck wird die Atmosphärenforschung multidisziplinär betrieben, ein Punkt, den Prof. Karl als besonders wichtig hervorhebt: „Innsbruck ist ein guter Standort für exzellente Forschung, weshalb ich auch gerne wieder hierher zurückgekommen bin. Wir arbeiten hier am IMGI mit anderen Disziplinen wie der Ökologie und der Physik  zusammen und sind dabei, im multidisziplinären Kontext Forschung zu betreiben.“