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Wissen & Umwelt

Was richten Flugzeugemissionen an?

Flugzeuge setzen neben CO2 vor allem Wasserdampf und Stickoxide frei. Sie tragen so mit etwa drei Prozent zur menschengemachten Erderwärmung bei, schätzen Forscher - abhängig von der Flughöhe.

Flugzeugabgase haben zwei Hauptbestandteile: Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf. Hinzu kommen Stickoxide, die entweder zur Ozonbildung oder zum -abbau beitragen. Sowohl CO2 als auch Wasserdampf und Ozon sind infrarot-aktive Gase - sie sind in der Lage, Wärmestrahlung aufzunehmen und auch wieder abzustrahlen. Dadurch trägt der Luftverkehr zur Erwärmung der Atmosphäre bei, sagt der Direktor des Instituts für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Er schätzt, dass der gesamte Beitrag des Flugverkehrs zum menschlichen Anteil am Klimawandel ungefähr drei Prozent beträgt.

Kohlendioxid verteilt sich gleichmäßig

Professor Ulrich Schumann, Direktor des Instituts für Physik und Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen (Foto: DLR)

Ulrich Schumann ist den Emissionen auf der Spur

Kerosin besteht zu 86 Prozent aus Kohlenstoff und zu 14 Prozent aus Wasserstoff. Weil der Kohlenstoff sich bei der Verbrennung mit Sauerstoff aus der Luft verbindet, kommen für jedes Kilogramm Kerosin, das ein Flugzeug verbrennt, 3,15 Kilogramm CO2 aus den Turbinen heraus. "Da das CO2 in der Atmosphäre langlebig ist, vermischt es sich gleichmäßig über die Erde", erklärt Schumann.

Weil es durch alle Atmosphärenschichten wandern kann, spielt es auch keine Rolle, ob das Gas auf einer Flughöhe von 10.000 Meter Höhe emittiert wurde oder in Bodennähe. Somit läßt sich der Anteil des Flugverkehrs an der Klimaveränderung recht einfach errechnen: Etwa 2,2 Prozent des menschengemachten CO2 geht auf den Flugverkehr zurück. Der Straßenverkehr ist mit etwa 14 Prozent daran beteiligt und andere Verkehrsträger, wie Schiff und Bahn, zusammen mit 3,8 Prozent.

Beim Wasserdampf ist es schwieriger, die Auswirkungen auf das Klima eindeutig zu berechnen. Wenn ein Kilogramm Kerosin verbrennt, entstehen 1,23 Kilogramm Wasserdampf. Wenn die heißen und feuchten Verbrennungsgase sich mit kalter Umgebungsluft mischen, kondensiert der Wasserdampf und es bilden sich winzige Wassertröpfchen. In der kalten Luft bei etwa minus 40 Grad Celsius gefrieren die Tröpfchen und bilden winzige Eiskristalle, die als Kondensstreifen sichtbar sind.

Was dann geschieht, hängt vor allem davon ab, wo sich das Flugzeug gerade befindet: in der niedriger gelegenen Troposphäre oder in der höher gelegenen Stratosphäre. "Die Troposphäre ist die gut durchmischte Schicht der Atmosphäre, in der sich das Wetter abspielt," erklärt Schumann. "Darüber ist die Stratosphäre, die sehr stabil geschichtet ist, da durchmischt sich nur noch sehr wenig."

Das Forschungsflugzeug Falcon des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR im Flug. (Foto: DLR)

Mit dem Forschungsflugzeug Falcon misst die DLR Flugzeugemissionen

Wasserdampf wärmt und kühlt

Die Stratosphäre ist sehr trocken. Der Wasserdampfvolumengehalt der Luft beträgt weniger als 0,01 Promille. Dort verdunsten die Eiskristalle aus den Kondensstreifen deshalb auch sehr schnell. Aber in der Troposphäre, wo die Luft mit Wasserdampf gesättigt sein kann, hängt es sehr vom Wetter ab, wie sich die Kondensstreifen verhalten.

"Ist die Luft feucht, nehmen die Eispartikel weitere Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Dann wachsen die Eispartikel, und die Kondesstreifen am Himmel können sich zu Zirruswolken ausdehnen. Sie wirken quasi als Kondensationskeim für feuchte Luft, können in ihrer Wassermasse wachsen und zu dicken Wolken werden", so der Athmosphärenforscher. In etwa 10-20 Prozent aller Flugstrecken sei das der Fall. "Insofern verstärkt der Luftverkehr mit seinen Kondensstreifen tatsächlich die Bewölkung der Erde", betont Schumann.

Die Auswirkungen dieser Wolken auf das Klima sind allerdings widersprüchlich. Einerseits wird das kurzwellige Sonnenlicht tagsüber zum Teil von den Kondensstreifen wieder zurück in den Weltraum reflektiert. "Vereinfacht könnte man sagen: Die Kondensstreifen werfen einen Schatten auf die Erde. Und in dem Schatten ist es kühler." Andererseits absorbieren die Eispartikel in diesen Wolken auch langwellige Infrarotstrahlung, die teils zur Erde zurückgestrahlt wird. Dieser Effekt ist tags und nachts wichtig. Welcher von beiden Effekten überwiegt, gelte nach wie vor als "Gretchenfrage der Kondensstreifenforschung," allerdings zeigen die bisherigen Untersuchungen, "dass die erwärmende Wirkung von Kondensstreifen überwiegt", sagt Schumann.

Wirkung von Ruß noch unverstanden

Flugzeugabgase verursachen nebenbei auch winzige Rußpartikel. Diese sind nur zwischen 5 und 100 Nanometern groß. Klar ist, dass sich der heiße Wasserdampf kurz hinter der Flugzeugturbine unter anderem an diesen Partikeln niederschlägt, wenn er kondensiert. Aber auch ohne Kondensstreifen bleiben die Partikel viele Tage in der Atmosphäre. Deshalb vermuten die Forscher, dass diese Rußpartikel, wenn sie sich in der Atmosphäre verteilen, auch nach Tagen und Wochen noch als Kondensationskeime für die Wolkenbildung wirken können. Dabei konkurriert der Ruß mit anderen Partikeln wie zum Beispiel Wüstenstaub oder Säuretröpfchen bei der Eisbildung in der Atmosphäre, was die Sache verkompliziert.

Flugzeug mit Kondensstreifen an einem blauen Himmel

Kondensstreifen können bei hoher Luftfeuchtigkeit zu dicken Wolken werden

Um herauszufinden, wie sich Ruß auf die Wolkenbildung auswirkt, forscht das DLR nicht nur an Flugzeugemissionen, sondern auch an Staubwolken, die sich nach großen Waldbränden weltweit in der Atmosphäre verteilen. Allerdings seien die bisherigen Ergebnisse widersprüchlich. "Das ist nicht so einfach, da gibt es bisher keine klare Antwort", so der Atmosphärenforscher. Man wisse noch nicht einmal endgültig, ob der Ruß die Wolkenbildung letztlich vergrößere oder verkleinere.

Gutes Ozon – schlechtes Ozon

Flugzeugtriebwerke werden sehr heiß. Die Temperaturen in der Brennkammer können lokal 2000 Grad Celsius erreichen. "Bei solchen Temperaturen wird auch Stickstoff aus der Luft gebunden und zu Stickoxid (NO und NO2) umgewandelt", erklärt der Forscher. Dieses Stickoxid kann dann zwei gegensätzliche Wirkungen entfalten: "In den großen Höhen führen die Stickoxide durch photokatalytische Prozesse zum Ozonabbau. In der niedrigen Höhe führen die Stickoxide zur Ozonvermehrung – also gibt es da genau gegenteilige Effekte."

Allerdings stehe mittlerweile fest, dass nur in der höheren Stratosphäre ab 16.000 Metern, wo vor allem Überschallflugzeuge unterwegs sind, im Mittel mit einer Ozonabnahme zu rechnen sei. In den üblichen Flughöhen von Verkehrsflugzeugen, also unterhalb von 12.000 Metern, führten die Stickoxide hingegen zu einer Ozon-Vermehrung.

Dieses Ozon wirke dann, wie auch CO2 und Wasserdampf, als Treibhausgas. Das Ozonloch über der Antarktis ließe sich jedenfalls mit Flugverkehrsemissionen nicht stopfen. Das liegt daran, dass die Flugzeuge weit unterhalb der Ozon-Schicht fliegen, die uns vor der ultravioletten Strahlung schützt. Und nach oben kommt das Ozon meist nicht.

Autor: Fabian Schmidt
Redaktion: Brigitte Osterath