Wolkenbildung aus natürlichen Aerosolen

Bevor die ersten Industrieschlote qualmten, sammelten sich in den Wolken weniger, dafür aber größere Tröpfchen. Diese Annahme gerät nun auf der Basis von gleich drei neuen Studien, die internationale Forschergruppen in den Fachzeitschriften „Nature“ und „Science“ veröffentlichten, ins Wanken. Denn schon in der präindustriellen Zeit gab es in der Atmosphäre offenbar deutlich mehr winzige Partikel, an denen Wasserdampf zu Wolkentröpfchen kondensieren konnte. So dienten nicht nur Salzkristalle oder Rußpartikel, sondern auch organische Moleküle, freigesetzt von Pflanzen, als natürliche Quelle für effiziente Kondensationskeime. Da Wolken eine wesentliche Rolle für das Erdklima spielen, wird diese neue Erkenntnis einen großen Einfluss auf Klimamodelle haben, die sowohl in die Vergangenheit als auch die Zukunft reichen.

In einer solchen mehrere Meter hohen zylinderförmigen Wolkenkammer untersuchen Atmosphärenphysiker die Bildung von Kondensationskeimen
CLOUD-Experiment

Heute fördern besonders Sulfat-Aerosole in der Atmosphäre die Wolkenbildung. Sie entstehen aus Schwefeldioxid, das beim Verfeuern fossiler Brennstoffe freigesetzt wird. Vor der Industrialisierung fehlten diese Aerosole, eine siginifikant geringere Konzentration von Kondensationskeimen in der Luft schien daher bisher plausibel. Doch mit Messungen in der sauberen Höhenluft der Alpen und in einer Wolkenkammer am Forschungszentrum CERN nahe Genf kamen die Atmosphärenforscher der bisher vernachlässigten, rein natürlichen Aerosol-Klasse auf die Spur. „Biogene Moleküle, kurz HOMs genannt, lieferten einen signifikanten Anteil an Partikeln insbesondere in der vorindustriellen Zeit“, sagt Joachim Curtius von der Goethe-Universität Frankfurt, der an allen drei Studien beteiligt war.

„Diese HOMs können ganz von alleine Aerosol-Partikel bilden“, sagt Curtius. Die Teilchen wachsen um mehrere Nanometer pro Stunde. Haben sie Durchmesser von etwa 50 Nanometern erreicht, kondensiert an ihnen immer mehr Wasserdampf und es entstehen Wolkentröpfchen. Mit einer künstlichen Atmosphäre in der Wolkenkammer CLOUD kam Curtius diesem Mechanismus zusammen mit seinen Kollegen aus der Schweiz, Finnland, Portugal und weiteren Staaten auf die Spur. Hier simulierten sie die Sulfat-arme Luft der vorindustriellen Zeit. Dieser setzten sie das organische Molekül Alpha-Pinene zu, das von Kiefergewächsen freigesetzt werden kann und auch Bestandteil ätherischer Öle ist.

In die Wolkenkammer lenkten die Forscher einen Strahl positiv geladener Teilchen, sogenannter Pionen, den sie mit einem Proton-Synchrotron erzeugten. Damit simulierten sie den Einfluss kosmischer Strahlung, die stetig in die Erdatmosphäre eindringt. Dieser Teilchenbeschuss brachte die organischen Moleküle dazu, sich zu etwa zwei Nanometern kleinen Partikeln zusammenzuballen. Weitere Messungen belegten, dass diese Partikel in Gegenwart flüchtiger organischer Substanzen weiter wachsen konnten, um effiziente Kondensationskeime zu bilden. Parallel konnten die Forscher diesen Mechanismus mit Computermodellen untermauern. „Diese Ergebnisse sind bislang die wichtigsten, die mit dem CLOUD-Experiment erzielt werden konnten“, sagt Jasper Kirkby, Sprecher der CLOUD-Forschergruppe.

PSI-Forscher Federico Bianchi arbeitet in einer Berglandschaft unter freiem Himmel vor einem Monitor, der auf einem Massenspektrometer steht.
Forschungsstation Jungfraujoch

Die Gültigkeit der Ergebnisse aus den Labormessungen und Computermodellen wollten die Forscher auch in der freien Natur überprüfen, und zwar in 3580 Meter Höhe in der Forschungsstation auf dem Jungfraujoch in den Schweizer Alpen. In der klaren Luft mit geringen Anteilen an Staub, Ruß und Sulfaten untersuchten die Wissenschaftler ein Jahr lang die Bildung von Kondensationskeimen. Mit Teilchenzählern und Massenspektrometer entdeckten sie an einem Fünftel der Tage, dass die natürlichen organischen HOM-Moleküle tatsächlich Kondensationskeime bildeten. „Mit dem Wissen aus dem CLOUD-Experiment wussten wir, wonach wir suchen sollten“, sagt Curtius. „Das zeigt, dass in der Atmosphäre der gleiche Prozess abläuft wie im Labor“, ergänzt sein Kollege Kirkby.

In weiteren Versuchen wollen die Atmosphärenphysiker nun genauer beziffern, wie stark der Einfluss der natürlichen organischen Moleküle im Vergleich zu Staub, Ruß und Sulfat-Aerosolen auf die Wolkenbildung ist. Das große Interesse der Klimaforscher ist ihnen sicher. Denn mit einem besseren Verständnis der Wolkenbildung werden sie ihre Modelle, die einerseits die Vergangenheit nachzeichnen und andererseits eine zukünftige Entwicklung aufzeigen sollen, deutlich verbessern können.