Wolken über einer Inselgruppe, aus dem All fotografiert.

Heiter bis wolkig – Teil 1: Aerosole und Klimawandel

Meine Zeit bei der CLOUD8-Kampagne am CERN

Teilchenspuren in einer Nebelkammer.
Teilchenspuren in einer Nebelkammer

Im vergangen Jahrzehnt war der Klimawandel eines der prominentesten Themen in der Öffentlichkeit. Dabei fällt auf, dass an naturwissenschaftlich bekannten Prozessen meist nur der Treibhauseffekt genannt wird. Doch es gibt eine Vielzahl von anderen physikalischen Prozessen, die in den Modellen des Klimawandels berücksichtigt werden können und berücksichtigt werden sollten.

Im Juni letzten Jahres habe ich an einem Workshop des Netzwerk Teilchenwelts am CERN teilgenommen. Dort konnte ich zum ersten Mal mit einer Nebelkammer arbeiten. In dieser kann man in einem übersättigten Alkoholdampf kosmische Strahlung sichtbar machen. Die Strahlung hinterlässt Kondensationsspuren. Dabei ist mir aufgefallen, dass diese Kondensationsspuren an Wolken erinnern. So habe ich mich gefragt, ob die kosmische Strahlung nicht auch in der Atmosphäre (der Gashülle um die Erde) bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen könnte.

Mit dieser Fragestellung habe ich mich dann für die Projektwochen des Netzwerks beworben und hatte dann die Möglichkeit, zwei Wochen am CLOUD-Experiment am CERN mitzuarbeiten, um diese Korrelation zwischen Klima und Strahlung auch experimentell betrachten zu können. Dabei habe ich mich insbesondere auf mögliche Messmethoden konzentriert und konnte mit einem Massenspektrometer eine Vielzahl an Messdaten aus der simulierten Atmosphäre in der CLOUD-Kammer nehmen.

Schema der Erzeugung kosmischer Strahlung und ihrer Komponenten.
Zusammensetzung der kosmischen Strahlung

Doch zunächst muss geklärt werden, was man unter kosmischer Strahlung genau versteht. Zunächst gibt es die primäre kosmische Strahlung, die aus Protonen besteht. Sie kommt dem Sonnenwind, Pulsaren und Supernovae – allgemein also aus unterschiedlichen Prozessen im Weltall. Ihr Ursprung ist nicht in allen Fällen komplett geklärt. Diese primäre kosmische Strahlung trifft auf die Erdatmosphäre und wechselwirkt mit der Luft. Dabei entsteht die sekundäre kosmische Strahlung, die aus drei Komponenten besteht. Die hadronische Komponente beinhaltet vor allem Protonen, Neutronen, und Pionen, die aber relativ schnell wieder mit anderer Materie wechselwirken. Die elektromagnetische Komponente besteht aus den bekannten Elektronen und Photonen. Die letzte Komponente beinhaltet Myonen, also Teilchen, die sich wie „schwerere Elektronen“ verhalten, und die dazugehörigen Neutrinos. Alle diese Teilchen haben ein verschieden großes Ionisationsvermögen, können also Moleküle unterschiedlich stark und oft ionisieren, das heißt aus ungeladenen Atomen geladene Ionen machen. Diese Ionen können dann als Kondensationskeime dienen.

Kondensationskeime sind Bestandteile der Aerosole. Diese sind zunächst alle festen oder flüssigen Partikel in der Atmosphäre. Auch hier unterscheidet man zwischen primären und sekundären Aerosolen. Primäre Aerosole sind alle Teilchen, die von der Erde aus in die Atmosphäre gelangen. Dazu gehören beispielsweise Sand aus Wüsten, Staub und auch Smog. Die sekundären Aerosole entstehen erst in der Atmosphäre durch chemische Reaktionen und zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Dabei verbinden sich Moleküle zu Clustern, die ab einer Größe 0,2 Mikrometern als Kondensationskeime von Wolken dienen können. Dabei gibt es eine Vielzahl an Chemikalien, die bei diesen Nukleationsprozessen eine große Rolle spielen können. Zum einen ist das Schwefelsäure, die durch ihren niedrigen Dampfdruck für die Nukleation besonders geeignet ist. Darüber hinaus ist Ammoniak wichtig, da dieser durch Säure-Base-Gleichgewichte die Cluster stabilisiert. Für das Wachstum der Cluster sind dann aber insbesondere organische Substanzen wie Alpha-Pinen verantwortlich, das eine optimale Größe für diesen Prozess hat. Alpha-Pinen ist eine organische Verbindung, die insbesondere von Nadelbäumen (Kiefern) freigesetzt wird.

Schema: Wolkenbildung und Reflektion der Sonnenstrahlung.
Indirekter Aerosoleffekt

Ob ein Kondensationskeim entsteht oder nicht, hängt von der freiwerdenden Energie des kondensierenden Gases ab. Diese setzt sich aus der Energie zusammen, die für die Überwindung der Oberflächenspannung benötigt wird, sowie der Energie, die bei der Bildung eines kugelförmigen Tropfens frei wird. Wenn ein Kondensationskeim wächst, muss erst einmal eine Energiebarriere überwunden werden, danach wächst er nahezu von allein.

Kosmische Strahlung kann Atome ionisieren. Durch die stärkeren zwischenmolekularen Anziehungskräfte ist die Energiebarriere deutlich niedriger als im Normalfall, das bedeutet, dass die Aerosolbildung um ein Ion herum energetisch deutlich günstiger ist. Dadurch hat die kosmische Strahlung in der Theorie eine verstärkende Wirkung auf die Wolkenbildung.

Als nächstes muss geklärt werden, wie diese Kondensationskeime genau die Wolkenbildung beeinflussen. Aerosole haben an sich schon eine Vielzahl an Einflüssen auf das Klima. Bei dem direkten Aerosoleffekt absorbieren dunkle Aerosole wie Ruß die Sonnenstrahlung und führen somit zu einer Erwärmung der Atmosphäre. Jedoch können vor allem Sulfataerosole und Mineralien die Sonnenstrahlung reflektieren, sodass sich eher ein abkühlender Effekt einstellt.

Viel wichtiger ist dagegen der indirekte Aerosoleffekt. Dabei dienen die Aerosole als Kondensationskeime. Es entstehen mehr kleinere Tropfen. Dadurch erhöht sich die Albedo (das Reflexionsvermögen) der Wolken – also welcher Anteil der Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückgestrahlt wird, ohne absorbiert zu werden. Darüber hinaus wird die Lebensdauer der Wolken erhöht, da die Tropfen kleiner werden und somit später und weniger abregnen. Insgesamt kommt es zu einem abkühlenden Effekt.

Ein großer metallener Tank zwischen Betonblöcken, verbunden mit vielen Rohren und Laufgängen.
Das CLOUD-Experiment am CERN

Die Einflüsse der verschiedenen Chemikalien und der kosmischen Strahlung werden am CLOUD-Experiment am CERN untersucht. In einer 26 Kubikmeter großen Edelstahlkammer können verschiedene Atmosphären bei verschiedenen Temperaturen simuliert werden. Durch ein Gassystem können synthetische Luft, Wasser und Spurengase in die Kammer gepumpt werden. Diese Spurengase sind insbesondere Schwefeldioxid und Ozon, aus denen dann Schwefelsäure entstehen kann. Für diese Reaktion wird UV-Licht benötigt, das durch eine Glasfaserlampe mit wenig Abwärme erzeugt wird.

Weiterhin werden nach Bedarf Ammoniak und organische Substanzen hinzugegeben. Um eine homogene Vermischung der Stoffe zu gewährleisten, sind zwei Ventilatoren in der Kammer installiert, die gegenläufig rotieren. Das besondere an der CLOUD-Kammer ist, dass sie mit einem Teilchenstrahl aus dem Protonen-Synchrotron beschossen werden kann, um einfallende kosmische Strahlung zu simulieren. Um nach der Messung die Kammer zu reinigen, gibt es zwei Hochspannungselektroden die alle Ionen aus der Kammer entfernen.

Wie so eine Messkampagne abläuft und was für Messgeräte dort verwendet werden, erklärt der zweite Teil der „Heiter bis wolkig”-Reihe!

Nicht verpassen: Teil 2 der „Heiter bis wolkig“-Reihe