Auf dem Weg zur Meteorologin Susan Hartmann vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung beschäftigt mich eine Frage ganz besonders: Wie sieht ein Wolkenlabor bloß aus? Um Wolken ihre letzten Geheimnisse zu entlocken, macht es ganz offensichtlich Sinn, sie unter kontrollierten Bedingungen zu simulieren. Doch wie genau erzeugen und inspizieren die Forscher solche Gebilde? Wandern sie mit ihren Hightech-Instrumenten durch feuchten Dunst und zeichnen Daten auf? Und was haben Bakterien überhaupt in Wolken zu suchen?

Mein Ziel liegt am Stadtrand auf einem weitläufigen Institutsgelände, dem Wissenschaftspark der Stadt Leipzig. Unter den vielen Gebäuden sticht eines besonders hervor – es hat eine quadratische Grundstruktur mit Glasfassade, und in der Mitte ragt ein wuchtiger, glänzender Aluminiumzylinder in den blauen Himmel. Eine sehr merkwürdige und beeindruckende Komposition. Ob diese Art der Architektur besonders geeignet dafür ist, künstliche Wolken zu erzeugen?

Der Leipziger Wolkensimulator
© albrecht voss, www.albrechtvoss.com
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDer Leipziger Wolkensimulator
Blickfang des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung in Leipzig: das Herz des Wolkenlabors, ein wuchtiger Aluminiumzylinder.

Am Eingang empfängt mich Hartmann und führt mich in einen Besprechungsraum: "Das Labor können wir dann später besichtigen", vertröstet sie mich, als hätte sie meine Gedanken gelesen. Zunächst widmen wir uns der Theorie: "Warum erforschen wir überhaupt die Eisbildung in Wolken?", fragt die Meteorologin und beantwortet die Frage nach der Motivation ihrer Forschung selbst: "In Mischphasenwolken – also in solchen, wo gleichzeitig Wasser- und Eispartikel existieren – ist die Wahrscheinlichkeit für Niederschlag am größten." In unseren Breitengraden ist Regen ohne die gefrorenen Tropfen in den Wolken kaum möglich. Deshalb sei der Vorgang der Eiskristallbildung äußerst relevant sowohl für Wetter- als auch für Klimamodelle. Wolken und deren Verhalten sind nämlich darin eine der größten Unsicherheitsfaktoren. Mit ihren gesammelten Daten und Erkenntnissen wollen Hartman und ihre Kollegen das ändern.

Wie die Bildung von Eiskristallen in Wolken im Detail abläuft, ist bislang nur unzureichend verstanden. Die Voraussetzungen dafür erklärt mir Hartmann: "In der Atmosphäre gibt es so genannte Kondensationskeime, also winzige Aerosolpartikel, darunter Rußpartikel, Staubkörnchen oder Meersalze, an denen sich nach und nach Wasserdampf ablagert; so entstehen schließlich Tropfen, die in ihrer Gesamtheit eine Wolke bilden. Bei genügend niedriger Temperatur gefrieren manche der Tropfen. Bestimmte Aerosolpartikel beschleunigen diesen Prozess, indem sie die Gefriertemperatur heraufsetzen; man nennt sie eisaktiv."

Während Wassertröpfchen in der Atmosphäre mitunter bis minus 38 Grad Celsius flüssig bleiben, heben bestimmte eisaktive Mineralstaubpartikel die Gefriertemperatur auf bis zu minus 20 Grad an. Solche Partikel entstammen vorrangig trockenen Regionen der Erde. Dort wirbelt der Wind sie auf und transportiert sie bisweilen über mehrere tausend Kilometer weiter.

Wolkenforscherin Susan Hartmann
© mit frdl. Gen. von Susan Hartmann
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernWolkenforscherin Susan Hartmann

Noch liegen die Verteilung und die Zusammensetzungen atmosphärischer Eiskeime weitgehend im Dunkeln. Und was mich am meisten verblüfft: Nur rund jeder 10 000. Aerosolpartikel ist tatsächlich eisaktiv. Dennoch spielen sie eine so wichtige Rolle beim Niederschlag. Darüber hinaus ist der wahre Grund für diese Eigenschaft kaum bekannt: "Weshalb bestimmte Partikel das Gefrieren beschleunigen, weiß man in den meisten Fällen nicht. Beim Feldspat, einem der wichtigsten eisaktiven Stoffe, ist es seine kristalline Ausrichtung, wie Forscher erst kürzlich herausfanden", so Hartmann.

Mir ist das Prinzip dahinter aber noch nicht klar. Meine Gastgeberin schafft Abhilfe: "Die Partikel setzen die Energiebarriere herab und katalysieren den ersten Schritt der Phasentransformation von flüssig zu fest", beginnt Hartmann zunächst allgemein physikalisch und fährt dann etwas detaillierter fort: "Das Gefrieren kann man mit der Nukleationstheorie beschreiben. Zunächst bilden sich im Tropfen einzelne Cluster aus Wassermolekülen, und je weiter die Temperatur absinkt, desto mehr davon entstehen und desto größer werden diese Anlagerungen. Ab einer gewissen kritischen Clustergröße gefriert der Tropfen zu Eis. Die Art der Oberflächenstruktur des eingeschlossenen Partikels kann diesen Prozess begünstigen, indem sich dort vermehrt Cluster anlagern und bilden. Als Resultat steigt die Gefriertemperatur." Im Rahmen ihrer Promotion konnte Hartmann zum ersten Mal zeigen: je größer die Oberfläche des eingeschlossenen eisaktiven Partikels, desto größer die Gefrierwahrscheinlichkeit. Das Tropfenvolumen hat dagegen keinen Einfluss. Beides hatten Experten zwar schon theoretisch angenommen, experimentell aber noch nicht gezeigt.

Die ersten Untersuchungen von eisaktivem Mineralstaub wurden bereits in den 1960er Jahren gemacht. Schon damals entdeckten die Wissenschaftler, dass dieser die Gefriertemperatur auf bis zu minus 20 Grad heraufsetzen kann. Jedoch erklärte das nicht, was ihre Kollegen in den folgenden Jahrzehnten beobachteten: Gefrierprozesse finden in der Atmosphäre auch oberhalb von minus 15 Grad Celsius statt. "Gemäß der derzeit plausibelsten Hypothese sind dafür biologische eisaktive Partikel, etwa Bakterien, verantwortlich", so Hartmann. Seit den 1970er Jahren weiß man aus Laborstudien, dass insbesondere der Bakterienstamm Pseudomonas syringae als Eiskeim fungieren kann – und das bereits bei deutlich höheren Temperaturen als Mineralstaubkörner. Und in der Tat haben Meteorologen die Bakterien anschließend auch in der Atmosphäre entdeckt.

Aber wieso sollten Mikroorganismen den Gefrierprozess beschleunigen? "Die Bakterien nutzen diese Fähigkeit, um an Nährstoffe heranzukommen", löst Hartmann auf. "Sie leben auf Pflanzen, und wenn ihre Nahrung knapp wird, können sie mit Hilfe der Eiskristallisation bereits bei knapp unter null Grad die Zellwände der Pflanzen aufbrechen und eindringen." Mikrobiologen offenbarten, dass für die Eisaktivität ein ganz bestimmtes Protein auf der Bakterienoberfläche verantwortlich ist; bei Nahrungsknappheit bilden P. syringae dieses vermehrt aus. Vermutlich lagern sich an den Proteinen die Wassermoleküle in einer Form an, die der Struktur von Eiskristallen gleicht. Auf diese Art und Weise katalysieren sie den Gefrierprozess.

Wie Staubkörnchen können auch die Bakterien durch den Wind in die Atmosphäre gelangen. Ihre Rolle in den Wolken war bislang kaum erforscht, und Hartmann wollte etwas mehr darüber in Erfahrung bringen. Eine ihrer wichtigsten Erkenntnisse verdankt sie – wie so oft in der Wissenschaft – einem glücklichen Zufall: Aus Versehen verwendete Hartmann für ihre Experimente statt vollständiger Bakterien nur Fragmente der Keime – auch in diesem Fall bildeten sich im Wolkenlabor aber Eiskristalle. Unabhängig davon, ob das Protein mit der Zellmembran des intakten Bakteriums oder nur mit Bruchstücken verbunden ist, bleibt also die Eisaktivität bestehen. Dieses Ergebnis ist von besonderem Interesse, da P. syringae, verglichen mit anderen Aerosolpartikeln, relativ groß sind. Daher bleiben die Mikroorganismen auch nicht lange in der Atmosphäre: Sie sind schlicht zu schwer und sinken rasch wieder auf die Erdoberfläche. Die leichteren Bruchstücke bleiben dagegen länger in der Luft – und dürften somit wohl eine wichtige Rolle bei der Eisbildung in Wolken spielen.

Einblick in die Technik im Wolkensimulator
© Susan Hartmann, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernViel Technik im Wolkenlabor
Im Inneren des Wolkenlabors dominieren Messgeräte, Rechner, Rohre, Schläuche, Metallschienen und Kabel. Das Herz des Simulators – ein dünnes, sieben Meter langes Strömungsrohr – geht dabei im Bild trotz seiner farbigen Ummantelung fast unter.

Damit ich mir eine Vorstellung davon machen kann, wie genau Hartmann ihre Forschung betreibt, führt sie mich schließlich ins Wolkenlabor – es findet sich tatsächlich, wie vermutet, im beeindruckenden Turm im Zentrum des Gebäudes. "Die Architektur ist der Umsetzung des Wolkensimulators geschuldet", erklärt Hartmann und beantwortet damit meine nicht gestellte Frage zu Beginn unseres Treffens. "Der Turm ist 16 Meter hoch, um ihn herum gruppieren sich im Erdgeschoss Labore und Büros." Wir treten ein. Das Bild bestimmen Messgeräte, Rechner und Dinge, von denen ich nicht weiß, wofür sie gut sein sollen. Dazu überall Rohre, Schläuche und Metallschienen. Ein Gewirr verschiedener Kabel rundet das Gesamtbild ab. Genau so stellt man sich ein hochtechnisiertes Forschungslabor vor.

Für Hartmann ist der Anblick Routine. Viele der Instrumente seien nötig, um gewisse Parameter präzise einzustellen und zu kontrollieren. Wolken sind offenbar sensible Wesen. Hartmann weist mich auf das Wesentliche hin, welches man als Laie schnell übersieht: In der Mitte des Turms ragt ein sieben Meter langes Strömungsrohr senkrecht nach oben – der Wolkensimulator. Das eigentliche Rohr ist jedoch nur wenig dicker als ein Finger, es versteckt sich hinter einer grauen Styroporummantelung. Zusätzlich lenken die zu- und ablaufenden Rohre, Kabel und Messgeräte vom Herzstück des Labors ab.

Über vier Etagen erstreckt sich dieses riesige, künstliche Reagenzglas. Hartmann führt mich die Treppen hinauf. Ganz oben findet die Geburt der Wolke statt: "Hier speisen wir Aerosolpartikel in das Rohr ein. An ihnen kondensiert Wasser, und Tropfen bilden sich. Die Feuchtigkeit und die Größe der Partikel können wir präzise kontrollieren", erläutert Hartmann, während ich mich endgültig von der Vorstellung verabschiede, gleich von feuchtem Nebel umgeben zu sein. "Nein, man sieht leider keine Wolke", höre ich die Meteorologin sagen. Die Tropfen strömen im Rohr nach unten, wo Susan Hartmann und ihre Kollegen diese dann untersuchen. Wir steigen wieder ins Erdgeschoss hinab: "Hier am Ende des Rohrs vermisst ein Lasermessgerät die Tröpfchen der künstlichen Wolke. So können wir zum Beispiel bestimmen, wie viele davon gefroren sind." Das funktioniert anhand der Streuung des Lichts.

An einem Tag kann Hartmann gerade einmal zwei künstliche Wolken vermessen: Die simulierten Gebilde bestehen nur ein paar Sekunden, die Vorbereitung einer Messung dauert dafür aber enorm lang. Und auf die Messungen folgt dann oftmals eine wochenlange Analyse der Daten. Fünf Jahre hat die Wissenschaftlerin nun schon damit verbracht, die künstlichen Wolken zu studieren – mit Höhen und Tiefen, wie sie zugibt. "Aber am Ende", so hofft sie, "können meine Erkenntnisse zum Gefrierverhalten von Mineralstaubpartikeln und Bakterien vielleicht einen Beitrag dazu leisten, die Wetter- und Klimavorhersagen, insbesondere im Hinblick auf den Niederschlag, zu verbessern."