Wolken unter kosmischem Einfluss

Eine Arbeitsgruppe um Prof. Frank Arnold vom Max- Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg hat jüngst erstmals experimentelle Hinweise auf einen physikalischen Prozess gefunden, der die kosmische Strahlung mit der Wolkenbildung verknüpft. Ob dieses Phänomen einen Einfluss auf das Klima hat, müssen weitere Forschungen zeigen.

"Wolken sind von zentraler Bedeutung für das Klima. Leider sind wesentliche Wolkenprozesse aber noch nicht gut verstanden. Dies gilt insbesondere für die Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Schwebeteilchen und Wolken", sagt Arnold. Das liegt vor allem an der Doppelrolle, die Wolken im Klimasystem spielen: Einerseits reflektieren sie einfallendes Sonnenlicht und behindern dadurch die Erwärmung der Atmosphäre; andererseits absorbieren sie Infrarotstrahlung, die der Erdboden und die Ozeane ins All abstrahlen, tragen damit also zum Treibhauseffekt und zur Erwärmung bei. Welcher der beiden Effekte überwiegt, hängt von der Höhe der Wolken sowie von der Art (Tröpfchen oder Eiskristall) und von der Größe der Teilchen ab. Grob gilt die Regel: Dünne Wolken in großer Höhe wärmen, dichte Wolken in geringer Höhe kühlen . Wolkentröpfchen entstehen nie allein aus übersättigtem Wasserdampf. Es werden immer Schwebeteilchen - Aerosolpartikel - als Kondensationskerne benötigt, an die sich der Wasserdampf anlagern kann. Primäre Teilchen sind vorwiegend Mineralstaub aus Wüstengebieten, Salze aus den Ozeanen sowie Rußpartikel aus natürlichen Verbrennungsprozessen und der vom Menschen beeinflussten Verbrennung fossiler Brennstoffe. Sekundäre Teilchen entstehen erst in der Atmosphäre durch so genannte Nukleation - durch Zusammenlagerung von atmosphärischen Spurengasmolekülen. Ein besonders wichtiges derartiges Spurengas ist die Schwefelsäure (H2SO4), die aus dem Vorläufergas Schwefeldioxid (SO2) entsteht. Die H2SO4-Nukleation erfolgt gemeinsam mit Wasserdampfmolekülen und führt zur Bildung von H2SO4-H2O- Teilchen.

Seit langem ist bekannt, dass atmosphärische Ionen sowohl die Nukleation als auch das Wachstum der frischen, noch sehr kleinen Teilchen wesentlich erleichtern können. Sie werden in Höhen unterhalb von 50 Kilometern vorwiegend durch die galaktische kosmische Strahlung gebildet durch Teilchen, die aus dem All mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre eintreten. Tatsächlich vermuten Forscher schon seit Jahrzehnten, dass durch die kosmische Strahlung gebildete Ionen zur Wolkenbildung beitragen. Nun gibt es neue, Aufsehen erregende Befunde zu diesem Thema.

Anwachsen von Molekül-Ionen (Mi)

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Schematische Darstellung des Anwachsens von Molekül-Ionen (Mi) über Cluster- Ionen (Ci) bis zu Wolken-Kondensationskeimen (WKK) unter Einwirkung von kosmischer Teilchen- Strahlung (GKS) (FOTO: YPSCOLLECTION.DE)

In den vergangenen Jahren haben die Meteorologen Henrik Svensmark, Eigil Friis-Christensen, und Nigel Marsh einen Zusammenhang zwischen der Intensität der kosmischen Strahlung und dem Bewölkungsgrad gefunden. Insbesondere deuten die statistischen Analysen einen elfjährigen Zyklus der Bewölkung an, was auf einen Zusammenhang zwischen dem Sonnenfleckenzyklus und daraus resultierenden Schwankungen der kosmischen Strahlung hinweist. Allerdings bemängeln Kritiker die beschränkte Datenbasis sowie das Fehlen eines experimentell fundierten physikalischen Prozesses. Letzteren scheinen Frank Arnold und seine Mitarbeiter nun gefunden zu haben. Mit einem Forschungsflugzeug des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersuchten sie in acht bis zehn Kilometer Höhe positive und negative Ionen. Normalerweise existieren diese Ionen nur zwei bis drei Minuten dann verbinden sich jeweils zwei Ionen entgegengesetzter Ladung. Hierbei kann ein elektrisch neutrales Aerosolteilchen entstehen. Allerdings nur dann, wenn die beiden Ionen hinreichend groß sind. Die hierzu erforderliche Ionengröße gelingt durch die Anlagerung von atmosphärischen Molekülen insbesondere von Schwefelsäure. Das gewachsene Ion heißt dann Cluster-Ion. Die Schwierigkeit liegt nun darin, dass die kleinen Ionen im Mittel nur zwei bis drei Minuten existieren, bevor sie sich neutralisieren. Innerhalb dieser Lebensdauer müssen sie rasch wachsen. Dies setzt eine ausreichend große Konzentration von Schwefelsäuremolekülen voraus. Da Schwefelsäure stark hygroskopisch (Wasser anziehend) ist, lagert das Ion dann zusätzlich Wassermoleküle an. Auf diese Weise kann ein kleines Molekül-Ion innerhalb kurzer Zeit anwachsen. Dass sich dieser Vorgang in der Natur tatsächlich so abspielt, konnten die Heidelberger Forscher jetzt nachweisen. Mit einem eigens hierfür entwickelten Massenspektrometer gelang es ihnen, sehr große Ionen nachzuweisen. Damit haben die Max-Planck-Physiker nicht nur den ersten Schritt vom kleinen Molekül- Ion zum so genannten Cluster-Ion aufgezeigt, sondern auch den zweiten Schritt von Clustern hin zu Aerosolteilchen. Diese sind zwar immer noch zu klein, um als Wolken-Kondensationskeim zu dienen. "Sie können aber anschließend innerhalb von einigen Tagen vorwiegend durch Anlagerung weiterer Schwefelsäure zu Keimen mit einer ausreichenden Größe von mindestens 30 Nanometern heranwachsen", erklärt Frank Arnold. "Dies haben wir zusammen mit Kollegen der Universität Helsinki anhand eines theoretischen Modells herausgefunden."

Forschungsflugzeug

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Beengte Verhältnisse im Innern des Forschungsflugzeugs: Heinfried Aufmhoff mit seiner Messapparatur. FOTO: STEFAN WILHELM.

Interessant ist bei diesem komplexen Vorgang auch die Herkunft der Schwefelsäure, die Arnold und seine Mitarbeiter während ihrer Forschungsflüge ebenfalls direkt nachwiesen: Sie entwickelt sich aus Schwefeldioxid, das auf der Nordhalbkugel überwiegend durch menschliche Aktivitäten freigesetzt wird. Auf dem Land geschieht dies vor allem in Kraftfahrzeugen und Kraftwerken, auf der See produzieren die Schiffsmotoren große Mengen an schwefelhaltigen Verbindungen. Es gibt aber auch natürliche Quellen wie Plankton und Vulkane.

Mit diesen Messungen scheint die physikalische Entwicklungskette von kosmischer Strahlung über das Molekül- und Cluster-Ion, zum stabilen Aerosolteilchen und schließlich zum Wolken-Kondensationskeim nachgewiesen zu sein. Wie wichtig dieser Prozess aber für das Klima sein kann, ist noch ungewiss.

Amerikanische Forscher haben dies in einem Modell untersucht. Sie legten Messungen zugrunde, wonach der mittlere Fluss der kosmischen Strahlung hat. Dem Modell zufolge könnte dies die globale Bewölkung so verändert haben, dass in diesem Zeitraum die mittlere Temperatur am Boden um 0,1 Grad gestiegen ist. Das entspräche etwa einem Drittel der gemessenen Erderwärmung, welche die meisten Klimaforscher im Wesentlichen mit dem anthropogenen Treibhauseffekt erklären.

Allerdings warnen die Modellierer vor einer Überinterpretation ihres Befunds, denn bislang ist immer noch viel zu wenig über andere Einflüsse auf die Wolkenbildung und die Klimafolgen bekannt. Insbesondere ist die Rolle primärer Aerosolteilchen wie Mineralstaub und Ruß bei der Wolkenbildung noch nicht ausreichend erhellt. Auch diese Teilchen sowie ihre "Aktivierung" in der Atmosphäre untersucht die Heidelberger Gruppe.