Neue Stu­die der Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Regen­fäl­le ver­ur­sa­chen Mikro­pla­stik-Trans­port in die Atmosphäre

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Ozea­ne, Seen und Flüs­se ent­hal­ten an ihrer Ober­flä­che oft eine gro­ße Zahl von Mikro­pla­stik-Par­ti­keln. Ein­schla­gen­de Regen­trop­fen bewir­ken, dass vie­le Tröpf­chen mit einer fast eben­so hohen Mikro­pla­stik-Kon­zen­tra­ti­on in die Luft geschleu­dert wer­den. Ver­dun­sten sie in der Luft, gelan­gen die Par­ti­kel in die Atmo­sphä­re. Die­se Pro­zes­se beschrei­ben Forscher*innen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth in einer neu­en, in „Micro­pla­stics and Nano­pla­stics“ ver­öf­fent­lich­ten Stu­die. In einer ersten, in mehr­fa­cher Hin­sicht noch mit Unsi­cher­hei­ten behaf­te­ten Abschät­zung kom­men sie zu dem Ergeb­nis: Welt­weit könn­ten infol­ge von Regen­fäl­len jähr­lich bis zu 100 Bil­lio­nen Mikro­pla­stik-Par­ti­kel in die Atmo­sphä­re gelangen.

Die Unter­su­chun­gen zei­gen: Schlägt ein Regen­trop­fen auf eine Was­ser­ober­flä­che auf, wer­den Tröpf­chen aus einem klei­nen ring­för­mi­gen Bereich um die Ein­schlags­stel­le in die Luft geschleu­dert. Sie stam­men aus einer Tie­fe von weni­gen Mil­li­me­tern unter­halb der Was­ser­ober­flä­che. Die in den Tröpf­chen ent­hal­te­nen Mikro­pla­stik-Par­ti­kel haben fast die glei­che Kon­zen­tra­ti­on wie in die­ser schma­len Was­ser­schicht. Auch ihre Flug­bah­nen in der Luft sowie ihre Flug­dau­er haben die Bay­reu­ther Wissenschaftler*innen berech­net. Dar­aus ergibt sich ein kla­res Bild: Das Was­ser von Regen­trop­fen, das frei von Mikro­pla­stik ist, lan­det in den Ozea­nen, wäh­rend pla­stik­hal­ti­ges Was­ser aus den Ozea­nen in die Luft gelangt. Wenn die Tröpf­chen so lan­ge in der Luft flie­gen, bis sie ver­dun­sten, ent­las­sen sie die Mikro­pla­stik-Par­ti­kel in die Atmo­sphä­re. Dies geschieht beson­ders häu­fig ober­halb der Was­ser­ober­flä­chen von Ozea­nen, wo Wind­ver­hält­nis­se und Tem­pe­ra­tu­ren eine ver­gleichs­wei­se lan­ge Flug­dau­er und eine rasche Ver­dun­stung begün­sti­gen. Die mei­sten der in die Luft geschleu­der­ten Mikro­pla­stik-Par­ti­kel fal­len aller­dings auf­grund einer kur­zen Flug­dau­er wie­der zurück ins Wasser.

Ein Regentropfen schleudert Tröpfchen aus der oberen Wasserschicht heraus. Die Grafik zeigt, welche Veränderungen drei, sechs und neun Millisekunden nach dem Einschlag eingetreten sind (v.l.). Aufnahmen: Moritz Lehmann.

Ein Regen­trop­fen schleu­dert Tröpf­chen aus der obe­ren Was­ser­schicht her­aus. Die Gra­fik zeigt, wel­che Ver­än­de­run­gen drei, sechs und neun Mil­li­se­kun­den nach dem Ein­schlag ein­ge­tre­ten sind (v.l.). Auf­nah­men: Moritz Lehmann.

„Es war eine rie­si­ge Her­aus­for­de­rung fest­zu­stel­len, wie vie­le Tröpf­chen durch einen ein­zi­gen ein­schla­gen­den Regen­trop­fen hoch­ge­schleu­dert wer­den, wie groß und wie schnell die­se Tröpf­chen sind und wie vie­le Mikro­pla­stik-Par­ti­kel sie mög­li­cher­wei­se ent­hal­ten. Expe­ri­men­te allein hät­ten zu weni­ge Infor­ma­tio­nen gelie­fert. Des­halb haben wir für Simu­la­tio­nen die­ser Pro­zes­se einen völ­lig neu­en Code erar­bei­tet und ein Com­pu­ter­mo­dell ent­wickelt, das es erlaubt, die­se Fra­gen mit hoher Genau­ig­keit und in einer noch nie dage­we­se­nen Detail­tie­fe zu beant­wor­ten“, sagt der Koor­di­na­tor der Stu­die, Prof. Dr. Ste­phan Gek­le, Pro­fes­sor für die Simu­la­ti­on und Model­lie­rung von Bio­flu­iden an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. „Wie rea­li­stisch unse­re Simu­la­tio­nen sind, zeigt sich beim Ver­gleich mit tech­nisch anspruchs­vol­len Expe­ri­men­ten: Hoch­ge­schwin­dig­keits­auf­nah­men von ein­schla­gen­den Regen­trop­fen bestä­ti­gen die auf unse­rem Modell basie­ren­den Berech­nun­gen“, sagt Erst­au­tor Moritz Leh­mann, Phy­sik-Dok­to­rand an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Moritz Lehmann, Physik-Doktorand an der Universität Bayreuth und Erstautor der Studie. Foto: UBT/Chr. Wißler.

Moritz Leh­mann, Phy­sik-Dok­to­rand an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und Erst­au­tor der Stu­die. Foto: UBT/​Chr. Wißler.

Um her­aus­zu­fin­den, wie vie­le Mikro­pla­stik-Par­ti­kel durch die­se Pro­zes­se letzt­lich in der Atmo­sphä­re lan­den, haben die Bay­reu­ther Forscher*innen eine Viel­zahl empi­risch ver­füg­ba­rer Daten zusam­men­ge­führt und in ihre Berech­nun­gen ein­be­zo­gen. Die­se Daten betref­fen unter ande­rem die Mikro­pla­stik-Kon­zen­tra­tio­nen an Mee­res­ober­flä­chen, die jähr­li­chen Nie­der­schlags­men­gen, die von der Regen­in­ten­si­tät abhän­gi­ge Grö­ße der Regen­trop­fen und die zeit­li­che Ver­tei­lung der Regen­in­ten­si­tät. Eine erste Abschät­zung führt zu dem Ergeb­nis, dass durch die Ein­schlä­ge von Regen­trop­fen auf Was­ser­ober­flä­chen welt­weit bis zu 100 Bil­lio­nen Mikro­pla­stik-Par­ti­kel pro Jahr in die Atmo­sphä­re gelan­gen könnten.

Die Autor*innen beto­nen, dass die­se Abschät­zung noch mit zahl­rei­chen Unsi­cher­hei­ten und Unge­nau­ig­kei­ten behaf­tet ist: Tur­bu­len­zen im Wind, wel­che die Ein­schlags­kraft von Regen­trop­fen beein­flus­sen kön­nen, wur­den in die Berech­nun­gen noch nicht ein­be­zo­gen. Zudem wei­sen die Mee­res­ober­flä­chen auf der Erde nicht über­all eine gleich hohe Kon­zen­tra­ti­on von Mikro­pla­stik-Par­ti­keln auf – im Gegen­teil, die Unter­schie­de sind sehr groß. Satel­li­ten­mes­sun­gen in Ver­bin­dung mit Wet­ter­mo­del­len könn­ten aber schon bald genaue­ren Auf­schluss über die „Hot­spots“ geben, an denen beson­ders vie­le Mikro­pla­stik-Par­ti­kel aus dem Oze­an in die Atmo­sphä­re trans­por­tiert werden.

For­schungs­för­de­rung und Kooperation:

Die in der Fach­zeit­schrift „Mikro­pla­stics and Nano­pla­stics“ ver­öf­fent­lich­te Stu­die ist aus einem For­schungs­pro­jekt des von der DFG geför­der­ten Son­der­for­schungs­be­reichs „Mikro­pla­stik“ an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth her­vor­ge­gan­gen. Das Bay­reu­ther For­schungs­team unter der Lei­tung von Prof. Dr. Ste­phan Gek­le hat dabei mit Prof. Dr. Andre­as Held, Pro­fes­sor für Umwelt­che­mie und Luft­rein­hal­tung an der TU Ber­lin, zusammengearbeitet.

Ver­öf­fent­li­chung:

Moritz Leh­mann, Lisa Marie Oehl­schlä­gel, Fabi­an P. Häusl, Andre­as Held, Ste­phan Gek­le: Ejec­tion of mari­ne micro­pla­stics by rain­drops: a com­pu­ta­tio­nal and expe­ri­men­tal stu­dy. Micro­pla­stics and Nano­pla­stics (2021), DOI: https://doi.org/10.1186/s43591-021–00018‑8

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