Feinstaub aus den Wüsten Nordafrikas gelangt in immer grösseren Mengen nach Europa. Das hat Folgen für die Gesundheit und die Solarenergie. Eine umfassende Studie unter Federführung des Paul Scherrer Instituts PSI, publiziert in Nature, zeigt: Die Belastung steigt – und könnte sich durch den Klimawandel weiter verschärfen.
Während die vom Menschen durch Verkehr, Haushalte und Industrie direkt verursachte Feinstaubmenge in Europa dank strenger Vorschriften sinkt, entwickelt sich eine andere Quelle in die entgegengesetzte Richtung: Wüstenstaub.
Um die Belastung mit Wüstenstaub in verschiedenen Regionen des Kontinents genauer zu ermitteln, haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI in Kooperation mit Kolleginnen und Kollegen aus ganz Europa Daten der vergangenen zehn Jahre von mehr als hundert Messstationen gesammelt und mit künstlicher Intelligenz kombiniert. Das Ergebnis: In Südeuropa liegt die durchschnittliche Konzentration von Wüstenstaub bei 5,3 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft – mehr als doppelt so hoch wie in Mittel- und Nordeuropa, wo im Schnitt 2,1 Mikrogramm gemessen wurden. Insgesamt hat die Staubmenge in diesem Zeitraum um rund ein halbes Mikrogramm pro Kubikmeter zugenommen.
«Das entspricht einer Zunahme von zehn bis fünfundzwanzig Prozent dieser Staubbelastung», sagt Projektleiter Kaspar Dällenbach vom Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften am PSI. «Sowohl für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit grosser Solaranlagen als auch hinsichtlich der gesundheitlichen Folgen erhöhter Feinstaubbelastung ist das nicht zu vernachlässigen.»
Für noch längerfristige Vergleiche reichen an den meisten Messstationen die relevanten Datenerhebungen nicht weit genug zurück. Daher wurden im Rahmen der Studie auch Eisbohrkerndaten vom Colle Gnifetti an der schweizerisch-italienischen Grenze herangezogen: Die im Eis des Alpengletschers eingeschlossenen Feinstaubpartikel der letzten Jahrhunderte zeigen, dass sich die Wüstenstaubkonzentration dort im Laufe der Industrialisierung – also über die vergangenen 150 Jahre – mehr als verdoppelt hat.
Wüstenstaub lässt sich gut von anderem Feinstaub unterscheiden
Als verlässlichen Indikator für Wüstenstaub verwendeten die Forschenden die Aluminiumkonzentration im Feinstaub der Luft. Dieses Element ist charakteristisch für transportierte Staubpartikel aus Wüsten. Feinstaub etwa von städtischen Baustellen dagegen ist sehr Calcium-haltig und Feinstaub aus Verkehr und Haushalten enthält vor allem Russ beziehungsweise Kohlenstoff aus der Verbrennung von Erdöl. «Durch chemische Analysen können wir die Herkunft des bodennahen Feinstaubs daher sehr gut bestimmen», sagt Petros Vasilakos, ebenfalls Forscher am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI und Erstautor der Studie.
Zu befürchten ist, dass die Wüstenstaubkonzentration weiterhin steigt und dies die Bemühungen um die Eindämmung der menschengemachten Feinstaubemissionen teilweise untergräbt. Als Ursache identifiziert die Studie die zunehmende Austrocknung der Sahara in Nordafrika. Hinzu kommt eine veränderte atmosphärische Zirkulation, die vermehrt starke Winde aus dieser Region nach Europa bringt. «Inwieweit der menschengemachte Klimawandel diese Entwicklung mitverursacht hat und ob er sie weiter verstärkt, ist noch nicht abschliessend geklärt», sagt Kaspar Dällenbach. «Unser derzeitiges Verständnis legt jedoch nahe, dass die Zunahme des Wüstenstaubs durch die Treibhausgasemissionen des Menschen und die damit verbundene Klimaerwärmung zumindest begünstigt wird. Dadurch wird es in bestimmten Regionen trockener und die Wüsten breiten sich aus.»
Auch Wüstenstaub kann die Gesundheit belasten
Hinsichtlich der gesundheitlichen Folgen von erhöhten Wüstenstaubkonzentrationen in Europa haben die Forschenden den Stand der epidemiologischen Untersuchungen ausgewertet. Längerfristige Auswirkungen durch transportierten Wüstenstaub wie Staublunge, Asthma und chronische Bronchitis liessen sich nur durch aufwendige Langzeitstudien eindeutig belegen. Die unmittelbar steigende Sterblichkeit an Tagen mit erhöhtem Wüstenstaubaufkommen in der Luft hingegen ist gut dokumentiert: An Staubtagen sterben deutlich mehr Menschen infolge von Herzinfarkten und Atemproblemen als an anderen Tagen. «Dabei hat sich die Anzahl der Stürme, die Wüstenstaub aus der Sahara und den arabischen Wüsten zu uns tragen, nicht wirklich erhöht», sagt Petros Vasilakos. «Aber sie sind im Verlauf der betrachteten zehn Jahre intensiver geworden und transportieren dadurch heute mehr Staub nach Europa als früher.»
Davon ist vor allem Südeuropa – von Griechenland im Osten über Italien bis Spanien und Portugal –betroffen. Auch in Westfrankreich konnte die Studie erhöhte Staubwerte feststellen. «Das liegt daran», erklärt Co-Autor Imad El Haddad, der ebenfalls am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI forscht, «dass Luftmassen aus der Sahara nicht selten auch auf den Atlantik hinausströmen und weiter nördlich wieder nach Westeuropa abdrehen.»
Einzigartige Kombination von physischen Daten und KI
Das Besondere an der Studie ist zum einen, dass sie die bislang wohl umfassendste Datenerhebung zu Wüstenstaub in Europa darstellt: «Wir haben praktisch alle zu diesem Thema verfügbaren Messreihen einbezogen, weil wir über fünfzig Kolleginnen und Kollegen in ganz Europa für eine Beteiligung gewinnen konnten», sagt El Haddad. Dabei half den PSI-Forschenden ihre Mitgliedschaft im paneuropäischen Forschungsnetzwerk Actris, in dem sich Aerosolforschende zusammengeschlossen haben, um ihre Langzeitmessreihen von Aerosolen, Wolken und Spurengasen international zu koordinieren und frei zugänglich zu machen.
Darüber hinaus haben die Forschenden bestehende rein physikalische Modelle zur Feinstaubverteilung mithilfe von künstlicher Intelligenz erweitert: «Herkömmliche Modelle können starke Wüstenstaub-Episoden zwar gut vorhersagen, erfassen jedoch selten kleinere Staubereignisse und haben Schwierigkeiten, die Staubkonzentration am Boden genau zu bestimmen», sagt Kaspar Dällenbach. «Mit unseren Messdaten und der KI, die auf Basis der Messdaten an den gut hundert Orten die Konzentrationen für weitere Regionen Europas abschätzt, konnten wir das Modell um diese Information ergänzen und so eine zuverlässige, gesundheitsrelevante Karte des transportierten Staubs für ganz Europa erstellen.» Die so erhobenen Daten können nun ausserdem als Grundlage für zukünftige Studien zur Untersuchung langfristiger gesundheitlicher Folgen dienen.
Anders als beim direkt vom Menschen verursachten Feinstaub etwa aus Auspuffen, Schornsteinen und Abriebprozessen lässt sich gegen die Emission von Wüstenstaub nicht unmittelbar etwas unternehmen. Umfassender Klimaschutz zur Begrenzung der Erderwärmung könnte aber langfristig auch helfen, die Austrocknung von Wüstengebieten und damit die Ausdehnung dieser Staubquellen einzudämmen. Vorerst jedoch muss Europa mit der Zunahme des Wüstenstaubs leben.
Denkbar wäre, ähnlich wie bei städtischem Feinstaub Warnsysteme für hohe Konzentrationen einzurichten, damit insbesondere sensible oder lungenkranke Menschen an Staubtagen Vorsichtsmassnahmen treffen können. Auch die Energiewirtschaft würde davon profitieren: Wüstenstaub in der Luft beschattet Solaranlagen und lagert sich darauf ab. Dadurch produzieren diese weniger Strom. Wenn Versorger dies kommen sähen, könnten sie es rechtzeitig durch Hochfahren anderer Kraftwerke ausgleichen und so die Netzstabilität gewährleisten.