Riskante Kühlung

Vulkane liefern die Blaupause: Bei ihren Ausbrüchen stoßen sie große Mengen Schwefeldioxid aus und kühlen so das Klima

Als ein Mittel des Geoengineerings diskutieren Fachleute daher, die Erderwärmung durch gezielte Freisetzung des Gases einzudämmen. Ob das funktionieren würde und welche Gefahren damit verbunden sind, untersucht Ulrike Niemeier vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg.

Der Ausbruch des Pinatubo war gewaltig. Als der philippinische Vulkan im Juni 1991 seine Kuppe absprengte, erhob sich eine gigantische Aschewolke in den Himmel. Sie tauchte die Insel Luzon mitten am Tage in Finsternis. Auf eine Fläche von der Größe Baden Württembergs, Bayerns und Hessens zusammen regneten Unmengen von Asche herab. Sie begrub Straßen und Gebäude unter einer teils meterhohen Schicht. Hunderte Menschen starben, Zehntausende verloren ihr Zuhause. Die Eruption war so stark, dass Asche und Gase bis in die Stratosphäre gerissen wurden, dreimal so hoch, wie Verkehrsflugzeuge fliegen. Mehrere Stunden lang bebte der Berg. In dieser Zeit spuckte er acht Millionen Tonnen Schwefeldioxid-Gas aus. In wenigen Tagen verteilte sich das Gas mit den weiträumigen Luftströmungen in der Stratosphäre über die gesamte Nordhalbkugel. Und das führte zu einem interessanten Phänomen: Auf der Erde wurde es kühler.

Die Ursache dieses Kühleffekts ist schon lange bekannt. Das Schwefeldioxid reagiert in der Atmosphäre mit der Luftfeuchtigkeit zu Schwefelsäure, aus der sich kleine Schwefelsalz-Partikel bilden, sogenannte Sulfatpartikel. Diese schweben für eine gewisse Zeit in der Luft und reflektieren einen Teil der Sonnenstrahlung, die auf die Erde trifft. Damit bewirken sie eine Abkühlung in den darunter liegenden Schichten der Atmosphäre. Kein Wunder also, dass der Ausbruch des Pinatubo, einer der stärksten im vergangenen Jahrhundert, für Klimaforscher interessant ist.

„Dieser Vulkanausbruch hat eindrücklich gezeigt, dass der Eintrag von Schwefeldioxid in die Atmosphäre einen messbaren Effekt hat“, sagt Ulrike Niemeier, Meteorologin am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg. Ulrike Niemeier widmet sich schon seit Jahren der Frage, wie das Schwefeldioxid und die Asche, die Vulkane ausstoßen, die Erdatmosphäre beeinflussen. Um die Klimawirkung besser zu verstehen, arbeitet sie vor allem mit Modellrechnungen. Dabei beschäftigt sie sich auch mit den großen vorgeschichtlichen Eruptionen, den Ausbrüchen sogenannter Supervulkane, die ein Vielfaches der Sprengkraft des Pinatubo hatten. Etwa die Eruptionen des Yellowstone-Vulkans vor rund zwei Millionen Jahren, bei denen rund 200-mal mehr Masse emporgeschleudert wurde als 1991 vom Pinatubo. Mithilfe von Computermodellen hat Ulrike Niemeier berechnet, wie sich diese gigantischen Mengen in der Atmosphäre verteilt haben könnten – wie sich die Erdatmosphäre dadurch abkühlte und letztlich das Weltklima änderte.

Der Kühleffekt des vulkanischen Schwefeldioxids hat dazu geführt, dass Ulrike Niemeier im Laufe der vergangenen 15 Jahre von ihrem eigentlichen Thema, der Rolle von Vulkanen im Klima, immer weiter in eine andere Richtung der Klimaforschung vorgedrungen ist. Denn seit sich die Erde durch den menschengemachten Klimawandel erwärmt, wird immer öfter die Frage laut, ob sich die Erde nicht vielleicht künstlich kühlen ließe. Einer der ersten, der diese Idee skizzierte, war der Atmosphärenchemiker Paul Crutzen, viele Jahre lang Direktor des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz. Paul Crutzen veröffentlichte im Jahr 2006 einen provokanten Fachartikel. Angesichts der permanent wachsenden Kohlendioxid-Emissionen stellte er darin die Frage, ob die Menschheit künftig technisch in das Klima eingreifen müsse, um die schlimmsten Folgen des Klimawandels abzumildern. Für dieses Klempnern am Klima kam damals der Begriff Geo- beziehungsweise Climate-Engineering auf.

Unter dem Begriff Climate Engineering (CE) fassen Experten heute viele verschiedene technische Ansätze zusammen. Im Groben unterscheiden sie zwei Arten von gezielten Eingriffen ins Klima: Auf der einen Seite gibt es das Carbon Dioxide Removal (CDR) – die Kohlendioxid-Entfernung. Solche Methoden haben das Ziel, Kohlendioxid aus der Luft zu holen und das Gas für lange Zeit zu binden oder sicher zu verwahren. Die Aufforstung von riesigen bislang unbewaldeten Gebieten ist dafür ebenso im Gespräch wie die Düngung des Meeres mit Eisen, um das Algenwachstum anzukurbeln. „Am realistischsten und sinnvollsten erscheinen derzeit aber Anlagen, die das Kohlendioxid aus der Luft filtern oder aus dem Abgas von Kraftwerken und Industrie-Anlagen abtrennen“, sagt Ulrike Niemeier. Carbon Capture and Storage (CCS), Kohlenstoff-Abscheidung und -Speicherung wird diese Methode genannt. Die Niederländer arbeiten bereits daran, sie umzusetzen: Im Projekt Porthos soll im Hafen von Rotterdam in den kommenden Jahren eine Pipeline entlang der Raffinerien, Kraft- und Zementwerke verlegt werden, in die das Kohlendioxid aus den Abgasen eingespeist wird. Über die Pipeline wird das Kohlendioxid hinaus in die Nordsee in eine ausgediente Erdgaslagerstätte gepumpt.

Eine umstrittene Idee

Zur zweiten Climate-Engineering-Kategorie zählen Methoden, die direkt den Wärmehaushalt der Erde verändern – das sogenannte Strahlungsmanagement, das Solar Radiation Management (SRM). Eine besonders kühne Idee dieser Art sah vor, die Erde mit gewaltigen Sonnenschirmen im All abzuschatten – ein Plan, der bis heute eher als Science Fiction gilt. Es geht aber auch eine Nummer kleiner: So könnten beispielsweise Flugzeuge in der Atmosphäre Partikel verstreuen, die einen Teil der Sonnenstrahlung ins Weltall zurückwerfen. Doch Paul Crutzen sah sich für diese Idee einem Sturm der Entrüstung ausgesetzt. Es sei generell Hybris, den Strahlungshaushalt der Erde mit technischen Mitteln verändern zu wollen. Auch seien die Folgen für das Klima in den verschiedenen Regionen der Erde durch einen solchen massiven Eingriff unabsehbar. Das sieht auch Ulrike Niemeier nach vielen Jahren der Forschung so. „Während man mit CDR lediglich die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre verringert, beeinflusst man mit dem Strahlungsmanagement weltweit die Menge an Sonnenergie, die auf die Erdoberfläche auftrifft.“

Aerosole könnten die Erwärmung bremsen

Immerhin löste Paul Crutzens Artikel ein großes wissenschaftliches Interesse am Climate-Engineering aus. Als Expertinnen für die Simulation von Schwefelwolken aus Vulkaneruptionen und deren Klimawirkung waren auch Ulrike Niemeier und ihre Kollegin Claudia Timmreck gefragt. Damals hatten sie gerade ein einzigartiges Simulations-Werkzeug entwickelt, ein stratosphärisches Aerosolmodell, mit dem sich die Wirkung des Schwefeldioxids beziehungsweise der Sulfatpartikel in der Stratosphäre berechnen ließ. Mit Aerosolen werden wenige Nanometer bis mehrere Mikrometer kleine Partikel bezeichnet, die so leicht sind, dass sie – einmal aufgewirbelt – kaum mehr zu Boden sinken. Auch die Sulfatpartikel in der Stratosphäre zählen zu den Aerosolen. Ulrike Niemeier konnte mit ihrem Modell berechnen, wie schnell und effizient sich aus Schwefeldioxid kleine Sulfatpartikel bilden – und auch, wie schnell sie wieder verschwinden, weil sie nach und nach miteinander verklumpen und aus der Stratosphäre absinken.

„Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen haben wir damals versucht die Frage zu beantworten, ob man das Aufheizen der Erde durch den Klimawandel mit Schwefeldioxid theoretisch kompensieren könnte“, sagt Niemeier. Die Studien waren Teil eines großen, von ihrem Kollegen Hauke Schmidt geleiteten EU-Projekts namens Implicc, das „Bedeutung und Risiken von neuen Optionen zur Begrenzung des Klimawandels“ untersuchte. Die Ergebnisse waren eindeutig – und wurden ähnlich wie Crutzens Fachartikel kontrovers diskutiert: Ja, tatsächlich könnte man die Erderwärmung kompensieren. Das wäre sogar beim schlimmsten Szenario des Weltklimarates möglich, dem RCP8,5. Bei diesem Business-as-usual-Szenario steigen die CO₂-Emssionen auch in den nächsten Jahren immer weiter an. Mit Schwefeldioxid-Injektionen im großen Stil könne man das Temperaturniveau des Jahres 2020 halten, errechneten die Implicc-Partner. „Das Klima würde im weltweiten Durchschnitt milder bleiben“, sagt Ulrike Niemeier. „Allerdings würde es im globalen Mittel etwas weniger regnen.“

Doch in der Praxis dürfte das schwierig werden. „Wenn wir bis zum Jahr 2100 trotz steigender CO₂-Emissionen das Klima von 2020 allein mithilfe von Schwefeldioxid halten wollten, müsste die Menschheit jährlich fünf bis achtmal so viel Schwefeldioxid in die Stratosphäre bringen, wie 1991 beim Ausbruch des Pinatubo frei wurde“, sagt sie. Das wäre aberwitzig. Eine japanische Forschergruppe kam zu ähnlichen Ergebnissen und hat errechnet, dass täglich 6.700 Flugzeuge Schwefeldioxid in der Stratosphäre verteilen müssten, um die Erderwärmung um ein einziges Grad Celsius zu senken – zum Vergleich: am Londoner Flughafen Heathrow gibt es in Spitzenzeiten rund 1200 Starts pro Tag.

Ulrike Niemeier betont zudem, dass die Schwefeldioxid-Einträge erhebliche Nebenwirkungen hätten. Der Himmel würde künftig nicht mehr strahlend blau, sondern eher milchig sein. Weltweit würden die Niederschläge im Durchschnitt abnehmen, der Monsun und große Luftströmungen in der Atmosphäre würden sich ändern, weil man am solaren Energieeintrag schraubte. In den Tropen würde die Sonneneinstrahlung stärker sinken als an den Polen, damit würde sich auch das Temperaturgefälle zwischen beiden Regionen abschwächen, sodass sich die Luftströmungen abschwächen könnten.

Eine der großen stratosphärischen Luftströmungen in den Tropen, die betroffen wären, heißen Quasi-biannual-oscillations, kurz QBO. Alle zwei Jahre wechseln sie ihre Richtung – von West nach Ost und zurück. Was mit ihnen passieren würde, hat Ulrike Niemeier untersucht, indem sie ihr Aerosol-Modell mit dem großen Klimamodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie namens MPI-ESM koppelte. „Die Berechnungen zeigen ganz deutlich, dass eine Schwefeldioxid-Injektion in großer Dimension zum Zusammenbrechen der QBO führen würde“, sagt Niemeier. „Welche Konsequenzen das für das Weltklima hat, können wir noch gar nicht absehen.“

Andreas Oschlies vom Forschungszentrum GEOMAR in Kiel hält solche Arbeiten von Ulrike Niemeier für wegweisend. „Sie ist eine der allerersten, die im Detail die chemisch-physikalischen Vorgänge in der Stratosphäre analysiert haben“, sagt der Experte für Climate-Engineering. „Sie hat eine quantitative, belastbare Datengrundlage geliefert, um das künftige Klima, das wir durch diese Art von Climate-Engineering erzeugen würden, richtig zu berechnen.“ Entscheidend sei etwa die Erkenntnis gewesen, dass Sulfatpartikel mit der Zeit verklumpen. Es hilft also nichts, immer mehr Sulfat in die Stratosphäre zu pumpen, weil die Aerosole dann nur umso stärker verklumpen und absinken. Irgendwann tritt gewissermaßen eine Sättigung ein, ganz gleich, wie viel Sulfat die Flugzeuge versprühen. „Diese Erkenntnisse von Ulrike Niemeier waren essentiell, um einschätzen zu können, inwieweit diese Art des Strahlungsmanagements überhaupt funktionieren könnte“, sagt Oschlies.

Ulrike Niemeier hat auch die Wirkung verschiedener Vorgehensweisen beim Freisetzen von Schwefeldioxid analysiert, ob es beispielsweise effektiver wäre, das Gas täglich in der Stratosphäre zu verströmen oder eher in bestimmten Abständen. Ein Ergebnis: Die Partikel verklumpen weit weniger, wenn man einen Monat lang große Mengen in die Stratosphäre bringt, als wenn man täglich nachliefert. Entscheidend für die Kühlwirkung sei auch, an welchen Orten auf der Erde man das Schwefeldioxid frei setzt. Die Modelle deuten darauf hin, dass Injektionen an mehreren Punkten rund um die Tropen die größte Wirkung hätten.

Das klingt fast so, als hätten Ulrike Niemeier und andere Experten bereits einen Climate-Engineering-Masterplan ausgetüftelt. Doch nichts läge ihr ferner als das, sagt sie. „Um den Klimawandel zu stoppen, gibt es für mich eigentlich nur den einen Weg: Den CO₂-Ausstoß so schnell wie möglich verringern. Denn eines ist klar. Das Strahlungsmanagement wäre nur ein Herumdoktern an den Symptomen – gegen das eigentliche Problem, das Kohlendioxid, richten wir damit nichts aus.“ Dennoch sei es wichtig, das Climate-Engineering zu erforschen. Denn sollte sich das Klima irgendwann sehr schnell extrem verändern, dann könnten Maßnahmen des Klima-Managements irgendwann als Notfalloption doch noch auf die politische Agenda kommen – als das kleinere Übel im Vergleich zu massiven Klimafolgen. „Insofern sollten wir sehr genau wissen, worauf wir uns einlassen.“

Auch sei nicht auszuschließen, dass irgendwann in diesem Jahrhundert einzelne Nationen auf eigene Faust ins Climate-Engineering einsteigen – ohne sich mit der weltweiten Staatengemeinschaft abzustimmen. Politisch wäre das ein Fiasko, weil davon die ganze Welt betroffen wäre. Ein Alleingang einzelner Staaten oder einer kleinen Gruppe von Staaten dürfte damit zu etlichen Konflikten führen, etwa wenn sich in anderen Ländern die Niederschläge verringern. Eines der interessantesten Projekte für Ulrike Niemeier war daher auch das Projekt Ceibral, in dem sie zusammen mit Hauke Schmidt sowie mit Juristen, Politik- und Wirtschaftswissenschaftlern, aber auch Philosophen untersucht hat, ob und wie das Climate-Engineering international einheitlich geregelt werden könnte. Im Vordergrund stand die Frage, ob man einzelne Staaten für Schäden haftbar machen könnte, die sie durch Climate-Engineering-Maßnahmen verursachen.

Für Ceibral versuchte Ulrike Niemeier aus ihren Modellergebnissen abzuleiten, wo es weltweit Gewinner und Verlierer von Climate-Engineering-Maßnahmen geben könnte. „Es ist aber ungeheuer schwierig, Schäden kausal auf eine Climate-Engineering-Maßnahme zurückzuführen“, sagt sie. „Als Beispiel hatten wir eine fünfwöchige Dürre in Polen und die Frage, ob daran Climate-Engineering-Maßnahmen in Australien Schuld sind.“ Eine eindeutige Antwort konnte sie nicht liefern. „Aber es war ungeheuer spannend, mit den Experten aus den anderen Disziplinen zusammenzuarbeiten, eine gemeinsame Sprache und ein Verständnis für die anderen zu entwickeln.“ Deutlich wurde, dass es heute schwierig wäre, einen Staat für eine Climate-Engineering-Maßnahme zu verklagen. Ein solcher Fall ist ja noch nie vor einem Gericht der Welt verhandelt worden. Welche Institution wäre zuständig? „Insofern hat das Thema Climate-Engineering für mich eine wichtige politische Komponente“, sagt Ulrike Niemeier. „Sollte man Climate-Engineering tatsächlich jemals in Erwägung ziehen, wird die Menschheit sehr aufpassen müssen, um nicht in einen Krieg zu schlittern. In jedem Falle sollte man sich zuvor international über die Haftungsfrage abstimmen.“

Die Zusammenarbeit in Ceibral und auch die langjährige Kooperation mit anderen Klimaforschern hat der Aerosolexpertin Ulrike Niemeier gezeigt, wie wichtig die Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen aus anderen Fachrichtungen ist. „Ob es jemals zum Einsatz von Climate-Engineering kommen wird, wissen wir nicht“, sagt die Klimaforscherin. „Dennoch sollten wir darauf vorbereitet sein und uns vor allem der Risiken bewusst werden.“

Auf den Punkt gebracht

• Geo- beziehungsweise Climate-Engineering gilt als eine Möglichkeit, den menschengemachten Klimawandel aufzuhalten, sei es durch Aufforstung, die unterirdische Speicherung von Kohlendioxid, Eisendüngung des Meeres oder die Verschattung der Erde mit Sulfatpartikeln, die aus Schwefeldioxid entstehen.
• Modellrechnungen zufolge ließe sich die globale Durchschnittstemperatur ohne Reduktion der Treibhausgasemissionen auf dem Niveau von 2020 halten, wenn jährlich fünf- bis achtmal so viel Schwefeldioxid in die Atmosphäre gebracht würde wie 1991 beim Ausbruch des Vulkans Pinatubo frei wurde.
• Der geringere Energieeintrag von der Sonne würde den Rechnungen zufolge große Luftströmungen etwa in den Tropen stören, mit unabsehbaren Folgen für das globale Klima. Die Aerosole, die sich aus Schwefeldioxid bilden, dürften im globalen Mittel zudem die Niederschlagsmenge reduzieren. Das könnte auch Konflikte zwischen Staaten auslösen, die das Gas eigenmächtig freisetzen beziehungsweise unter einer Abnahme des Niederschlags leiden.