„Feldspat ist besonders eisaktiv“

Die Entstehung von Eis in Wolken hat einen entscheidenden Einfluss auf das Erdklima. Doch Eiskristalle bilden sich nicht aus dem Nichts, sondern benötigen sogenannte Nukleationskeime: kleine Teilchen, auf denen sich Wasserdampf ablagern und Eiskristalle bilden können. In der Erdatmosphäre dienen Aerosole als Nukleationskeime – wie das Eis darauf genau entsteht, war aber bislang weitgehend unerforscht. Wie Wissenschaftler im Fachmagazin „Science“ berichten, haben sie nun erstmals die Prozesse bei der Eisbildung auf Feldspatoberflächen mikroskopisch untersucht und eine Erklärung gefunden, warum sich gerade Feldspat für die Bildung von Eiskristallen besonders gut eignet. Welt der Physik sprach darüber mit dem beteiligten Wissenschaftler Alexei Kiselev vom Karlsruher Institut für Technologie.

Welt der Physik: Wie bildet sich Eis in der Atmosphäre?

Ein Bild des Forschers vor einer Tür im Freien, stehend neben einer Pflanze.
Alexei Kiselev vom Karlsruher Institut für Technologie

Alexei Kiselev: Inzwischen ist bekannt, dass Wolken nur mithilfe von Aerosolpartikeln entstehen. Aerosole sind winzige Teilchen, es sind organische und anorganische Teilchen wie Mineralstaub oder auch Verbrennungsaerosole aus Autoabgasen. Das Eis in den Wolken entsteht nur mithilfe der Aerosolpartikel, auch wenn nur ein winziger Anteil von ihnen unterkühlte Wassertröpfchen zum Gefrieren bringen kann: Nur etwa eines von zehntausend Teilchen ist eisaktiv. Deswegen ist es erstaunlich, dass Eis in der Atmosphäre so eine wichtige Rolle spielt – ohne Eis wäre in unseren Breitengraden größtenteils überhaupt kein Niederschlag möglich. Fast 90 Prozent der Niederschlagsfälle in den troposphärischen Wolken entstehen durch die Eisphase. Deswegen ist es so wichtig zu verstehen, was an den Aerosolpartikeln so besonders ist, dass nur eines von zehntausend Teilchen Eis entstehen lassen kann.

Wie haben Sie das untersucht?

Vor ungefähr drei Jahren hat man herausgefunden, dass Feldspat besonders aktiv ist, was die Eisnukleation angeht. Das ist besonders interessant, weil etwa Mineralstaub aus der Sahara fast immer einen kleinen Anteil an Feldspat enthält, vermutlich nur ein bis acht Prozent. Aber anscheinend reicht dieser winzige Anteil aus, um zu bestimmen, wie effektiv diese Teilchen bei der Eisbildung sind. Allerdings waren vorherige Studien bislang nur qualitativ: Man hat herausgefunden, dass Feldspat für die Eisnukleation verantwortlich ist, wusste aber nicht, warum. Deshalb wollten wir herausfinden, warum gerade Feldspat eine solche große Rolle spielt. In unserer Studie haben wir deshalb Kaliumfeldspat verwendet.

Wie lief das Experiment ab?

Wir haben mithilfe eines Elektronenmikroskops die Eisbildung auf der Oberfläche von Feldspat untersucht. Eigentlich ist das Elektronenmikroskop nicht das richtige Werkzeug für die Atmosphärenforschung, es ist keine Wolkenkammer oder ein Diffusionskanal. Aber man kann mit einem speziellen Elektronenmikroskop, das auch unter Gasdruck in der Probenkammer arbeiten kann, tatsächlich die Atmosphärenbedingungen simulieren. Wir haben Bröckchen aus Feldspat von ein bis zwei Millimeter Größe auf einer speziell gekühlten Probenbühne aufgebracht und diese Bühne auf eine Temperatur abgekühlt, die dem sogenannten Frostpunkt entspricht. Bei dieser Temperatur können wir untersuchen, wie sich direkt aus dem Wasserdampf Eiskristalle auf der Oberfläche bilden. Die Temperatur und die Feuchtigkeit waren so gewählt, dass die Eiskristalle sehr langsam wachsen: Innerhalb von rund einer Minute wuchsen sie auf eine Größe von hundert bis zweihundert Mikrometer an, wobei ein Mikrometer einem millionstel Meter entspricht.

Wo sind die Eiskristalle bevorzugt gewachsen?

Wir haben gesehen, dass die Eiskristalle an speziellen Stellen im Feldspat wachsen, die offensichtlich nur in Defekten an der sonst glatten Oberfläche vorkamen, an Spalten, Stufen oder Inhomogenitäten. Andererseits haben wir aber auch beobachtet, dass alle Eiskristalle homogen ausgerichtet waren. Sie zeigten alle in die gleiche Richtung. Und das war das eigentlich Erstaunliche, denn eigentlich würde man erwarten, dass diese Orientierung völlig zufällig ist.

Wie konnten Sie diese Ausrichtung erklären?

Grafik aus drei Bildern: links die molekulare Struktur der Grenzflächen zwischen Eiskristall und Feldspat, in der Mitte eine Aufnahme der Eiskristallbildung auf Feldspat, die mithilfe eines Elektronenmikroskops entstanden ist, rechts das Schema eines Eiskristalls
Eiskristallbildung auf Feldspat

Wir haben unsere Kollegen vom University College London zurate gezogen, die Computersimulationen durchgeführt haben. Sie haben ein realistisches Modell des Feldspat entwickelt, mit dem die Grenzflächen zwischen Eis und Feldspat am Computer simuliert werden konnten, und verschiedene Kombinationen aus den Oberflächen von Eis und Feldspat ausgetestet. Die ganze Eisnukleation basiert auf der Idee, dass bestimmte Kombinationen besonders günstig sind, da dort die Energie minimiert ist, der Energieaufwand ist also vergleichsweise gering.

Was war das Ergebnis der Simulationen?

Ein Kristall hat mehrere kristalline Flächen. Es gibt Flächen, die eine sogenannte Einheitszelle bilden, den kleinsten Baustein, mit dem man den ganzen Kristall abbilden kann. Das Gleiche gilt auch für Eis. Die Idee war, dass die günstigste Kombination für die Nukleation von Eis ist, wenn eine der sogenannten prismatischen Flächen von Eis an einer der Flächen der Einheitszelle des Feldspats direkt anliegt – und diese speziellen Flächen kommen im Feldspat eben nur in Defekten vor. Das war zunächst nur eine Vermutung von uns, die Simulationen haben dann aber gezeigt, dass die von uns vorgeschlagene relative Orientierung von Feldspat und Eis tatsächlich die günstigste Kombination ist.

Schaut das auch in der Atmosphäre so aus?

Nein, denn im Experiment waren unsere Bedingungen speziell so entwickelt, dass das Eis langsam wachsen konnte. Eis in der Atmosphäre muss nicht so speziell orientiert wachsen, weil beispielsweise mehr Wasserdampf vorhanden ist. Aber an diesen Stellen, die wir ausfindig gemacht haben, wächst Eis immer zuerst, das sind die Stellen, die besonders eisaktiv sind. Wobei könnte dieses Ergebnis helfen?

Wenn man diese besonders eisaktiven Stellen ausfindig machen kann, kann man sie parametrisieren. Man kann also sagen: Für eine bestimmte Fläche an Feldspat kommen so und so viele eisaktive Stellen vor, die bei einer bestimmten Temperatur in der Atmosphäre Eis entstehen lassen werden. Diese Information kann man, basierend auf ihrem Anteil in den Wolken, in die Wolkenmodelle einbringen, um zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit des Niederschlags bei bestimmten meteorologischen Bedingungen auszurechnen.