Quelle: Universität Bayreuth.

17. November 2021 – Die 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 nach einer kurzen Flugdauer wieder zurück ins Wasser.

„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.

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)

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Quelle: ESA.

2. November 2021 – Nach neuesten Schätzungen gelangen jährlich 10 Millionen Tonnen Plastik ins Meer – das entspricht einer Lastwagenladung Plastik pro Minute. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wissen aber nur, was mit rund einem Prozent davon passiert. Die Satellitenüberwachung könnte in Zukunft dazu beitragen, das Ausmaß des Plastikmülls zu erfassen und zu beobachten, wo sich das Plastik verteilt – vorausgesetzt, dass dies auch in der Praxis funktioniert.

„Unser Ziel ist es, einige grundlegende Fragen zu beantworten“, sagte der ESA-Antennentechniker und Leiter des Projekts Peter de Maagt.

„Können wir überhaupt schwimmende Kunststoffe mit weltraumgestützter Überwachung erkennen? Und wenn ja, ist die Frage, welche Techniken am erfolgversprechendsten sind, wie häufig sie eingesetzt werden sollten und wie empfindlich sie sein sollten? Bisher orientierten sich die Forscher an ihrem Bauchgefühl bei der Frage, was am besten funktionieren könnte. Wir arbeiten nun aber aktiv daran, das Rätselraten zu beenden.“

Die Testphase fand im Forschungsinstitut Deltares in dessen riesiger Atlantikbecken-Anlage in der Nähe von Delft in den Niederlanden statt.

Anton de Fockert, Hydraulikingenieur von Deltares, erklärt: „Diese einzigartige 650 Quadratmeter große Anlage ist mit Wellengeneratoren ausgestattet, um realistische Tiefwasserwellen zu erzeugen, wie man sie auch im Ozean vorfindet.“

Peter de Maagt merkt an: „Wir haben beschlossen, diese Technik verschiedenen europäischen Organisationen und Forschungsinstitutionen zur Verfügung zu stellen, die an unterschiedlichen Satellitenmethoden zur Erkennung von Plastikmüll im Meer forschen. Die Teams wurden über die Open Space Innovation Platform der ESA rekrutiert, über die Ideen für neue Weltraumforschungsaktivitäten gesammelt werden.“

Anton de Fockert ergänzt: „Das im Becken verwendete Plastik umfasste Material, das zuvor im Rahmen von Säuberungskampagnen der Stichting de Noordzee und Schone Rivieren aus dem Meer geborgen wurde, sowie Neumaterial.“ Um ein Höchstmaß an Realitätsnähe zu erreichen, wurde das Plastik in Form von im Meer vorkommenden Gegenständen wie Taschen, Flaschen, Netzen und Seilen, Besteck und Styroporkugeln im Becken platziert. Um die tatsächliche Verteilung auf See besser nachzubilden, wurden weitere Nicht-Plastikartikel hinzugefügt, darunter Zigarettenstummel.

„Diese erste Testphase dauerte zwei Wochen, zuzüglich einer ersten Woche für die Einrichtung“, fügt Peter de Maagt hinzu. „Wir starteten zunächst mit viel schwimmendem Plastik und ohne Wellen und verringerten dann die Gesamtplastikmenge, indem wir mit sanften Wellen begannen und diese dann nach und nach vergrößerten.“

Die teilnehmenden Teams und ihre speziellen Instrumente, die die Beobachtungen aus dem Weltraum simulieren sollten, überwachten die Anlage von oben.

Teams des Instituts für Telekommunikation in Portugal und der Universität von Stirling in Schottland setzten Radar-Fernerkundung ein. Die Technische Universität Katalonien nutzte die „GNSS-Reflektometrie“, die sich auf reflektierte Signale von Navigationssatelliten stützt. Und eine Gruppe der Universität Oldenburg in Deutschland setzte optische Messgeräte ein.

In der Zwischenzeit führte ein Team der University of Alberta in Kanada und der Technical University Delft in den Niederlanden grundlegende physikalische Analysen durch – einschließlich des Versuchs, die wellenabdämpfende Wirkung von Plastikmüll im Meer besser zu bestimmen, was in Zukunft zur Ermittlung von Plastikkonzentrationen genutzt werden könnte.

„Wir sind dabei, unsere Daten zu verarbeiten“, erklärt de Maagt. „Die ersten Ergebnisse sehen vielversprechend aus, d. h. die Teams haben unter bestimmten Umständen brauchbare Signale erhalten, aber es müssen noch viele weitere Analysen durchgeführt werden. Wir wollen die Zeit zwischen dieser Testphase und der Folgeuntersuchung, die Anfang nächsten Jahres stattfinden soll, nutzen, um Wissenslücken zu ermitteln, auf die wir uns weiter konzentrieren müssen.

Dieses Projekt ist Teil einer größeren OSIP-Mission gegen Plastikmüll im Meer, unterstützt durch das Discovery and Preparation-Programm der ESA, zur Überwachung der Grundlagenforschung, die die Basis für künftige ESA-Missionen bildet.

Sehen Sie sich unseren Dokumentarfilm “Planet Aqua“ über Weltraumtechnologien für die Wasserwirtschaft wie der Erkennung von Plastikmüll im Meer in voller Länge an. Dieser wird kommentiert von ESA-Astronaut André Kuipers.

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