Ultrafeine Partikel gelten als gesundheitsschädlich – aber auch als klimarelevant. In urbanen Gebieten  wird der Straßenverkehr als Hauptursache für die winzigen Teilchen in der Luft angesehen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben jetzt in einer Langzeitmessung Verursacher identifiziert, die besonders außerhalb von Städten von großer Relevanz sind: Kohlekraftwerke.

„Wir konnten zeigen, dass fossile Kraftwerke inzwischen zu den weltweit stärksten Einzelquellen für ultrafeine Partikel geworden sind“, sagt Wolfgang Junkermann vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des KIT. Um das festzustellen, haben Junkermann und sein Team mehr als 15 Jahre lang Messflüge durchgeführt. Das dafür eigens in Karlsruhe ent­wickelte Forschungsflugzeug erfüllt den Umweltphysiker mit einigem Stolz: Für diese Art der Vermessung der Abgasfahnen gebe es keine Alternativen zu den kleinen und langsamen Leichtflugzeugen.

Erfahrener Wissenschaftler

Die Daten stammen von Flügen in Deutschland, aber auch in Finnland, England, Frankreich und Italien, sagt Junkermann, der seine Erkenntnisse jetzt zusammen mit dem australischen Co-Autor Jorg M. Hacker in einem US-amerikanischen Fachmagazin der amerikanischen meteorologischen Gesellschaft („American Meteorological Society“) publizierte. Seit rund 30 Jahren ist Junkermann am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) und dem früheren Institut für Umweltforschung (IFU) am Forschungszentrum der Helmholtz-Gesellschaft in Karlsruhe tätig. Dieses ist Teil des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Mit Blick auf die ultrafeinen Partikel konnten die Daten von den zwischen vier und sechs Jahre zurückliegenden Flüge quer durch Deutschland erst im vergangenen Jahr zugeordnet werden. Denn erst seit Ende 2016 liegt eine Publikation vor, die den Vergleichsmaßstab bildet – und mit der die anthropogenen Partikelemissionen weltweit bestimmt werden können.

 Junkermanns Team, dessen Flugzeug an der KIT-Außen­stelle „Campus Alpin“ in Garmisch-Partenkirchen beheimatet ist, hat zum Beispiel bei dem Kohle­kraftwerk Boxberg in der Lausitz (Sachsen) in der Abluftfahne in 20 Kilometern Entfernung noch bis zu 85 000 Partikel pro Kubikzentimeter gemessen. Das Kraftwerk Boxberg war – noch zu DDR-Zeiten – das einst größte Braunkohlekraftwerk in Ostdeutschland.

An viel befahrenen Straßen in Stuttgart beispielsweise sind es laut Angaben der Deutschen Umwelthilfe „zwischen 25 000 und 30 000“ Ultrafeinstaub-Partikel pro Kubikzentimeter Luft. Etwa 20 000 Partikel seien „in einer Stadt normal“, heißt es. Die ultrafeinen Partikel sind dabei etwa 100 Mal kleiner als die am Neckartor gemessenen Feinstaubpartikel (PM10), aber mutmaßlich um einiges gefährlicher.

Das KIT-Forscherteam ist auch über vergleichbare Kohlemeiler in Baden-Württemberg geflogen. Die Ergebnisse sind ähnlich wie in Sachsen. Mit Einsatz einer modernen Abgasreinigung seien „die Bedingungen für die Partikelneubildung optimal“, erklärt Junkermann. Nach der Emission – je nach Höhe der Abluftkamine – in 200 bis 300 Metern Höhe, können die winzigen Teilchen mehrere hundert Kilometer zurücklegen, je nach herrschenden Wetterverhältnissen und Klimabedingungen in der Atmosphäre. Mit Einfluss auch auf die Regenbildung. „Die Folge ist nicht unbedingt, dass es weniger regnet, die Partikel können auch extreme Regen­ereignisse verstärken. Wo das passiert, ist wieder vom Wind abhängig“, erklärt der Karlsruher Umweltphysiker.

100 Nanometer Durchmesser

Obwohl derartige Partikel einen Durchmesser von weniger als 100 Nanometern haben, nehmen sie also Einfluss auf Umweltprozesse: „Sie bieten Oberflächen für chemische Reaktionen in der Atmosphäre oder können als Kondensationskerne die Eigenschaften von Wolken und Niederschlag beeinflussen“, sagt Junkermann. Dadurch werde die räumliche und zeitliche Verteilung sowie die Intensität von Niederschlägen beeinflusst. Fossile Kraftwerke könnten damit auch „zu extremen Wetterereignissen führen.“

Junkermann räumt ein, dass seine Erkenntnisse über die ultrafeinen Partikel für das Stuttgarter Feinstaubproblem wohl „nicht viel weiter helfen“. In den heutigen Kohlekraftwerken würde der Feinstaub in den Filteranlagen zu „ultrafeinen Stäuben“. Mit solchen Stäuben aus Karlsruher oder Mannheimer Kohlekraftwerken sei nur dann zu rechnen, wenn Stuttgart in Abgasfahnenrichtung liege und die Partikel unter bestimmten Bedingungen in Richtung Boden sinken.

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Sichtflug in 3000 Meter Höhe


Für die Messflüge nutzten die Klimaforscher das am KIT entwickelte weltweit kleinste bemannte Forschungsflugzeug, mit dem Sichtflug bis in 3000 Meter Höhe möglich ist. Das fliegende Labor ist mit Instrumenten und Sensoren ausgestattet, die Staubpartikel, Spurengase, Temperatur, Feuchte, Wind und Energiebilanzen messen können. Diese Daten glich das Team etwa
mit meteorologischen
Beobachtungen ab. sj