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Feinstaub: Der Wolkenstaubsauger von Spitzbergen

Warum weichen auch gute Klimamodelle immer noch voneinander ab? Die Antwort hofft ein Forscher in der Arktis zu finden: Dort saugt er Feinstaub aus der saubersten Luft der Welt.
Panoramaaufnahme von der Terrasse des Zeppelin-Bergs über Ny-Ålesund und den Fjord auf Berge und Gletscher am anderen Ufer.Laden...

Wenn Paul Ziegers Familie von ihm wissen will, warum er in der Arktis Wolken nachjagt, antwortet er: um Klimavorhersagen zu verbessern. Für seine Fachkollegen sind die Ergebnisse des Atmosphärenphysik-Professors von der Universität Stockholm allerdings eine kleine Sensation: »Wir haben gemessen, dass Nanopartikel doch zur Wolkenbildung in der Arktis beitragen, und suchen jetzt ihre Quellen.« Das schien erst mal nicht zu einer bedeutenden Theorie der Wolkenbildung zu passen – und könnte bei der Erklärung helfen, warum die Arktis plötzlich so warm wird.

Lange meinten Fachleute, um Nanopartikel könnten sich keine Wassertröpfchen formen, da nach der Köhler-Theorie eine extrem hohe und damit unwahrscheinliche Übersättigung der Luft mit Wasserdampf erforderlich ist. Deshalb staunte die internationale Expertengemeinschaft nicht schlecht, als Ziegers Team nach einer zweijährigen Messung in der Arktis zeigte, dass sogar winzige Partikel von nur 15 bis 20 Nanometer Größe einen wichtigen und regelmäßigen Beitrag zur Wolkenbildung lieferten.

Wolkenjäger in der Arktis

Veröffentlicht am: 30.10.2019

Laufzeit: 0:15:31

Sprache: deutsch

Es ist die erste derartige Langzeitmessung überhaupt in der Arktis, aber schon jetzt berichten die Fachleute von weiteren überraschenden Beobachtungen: Diese kleinen Partikel spielen vor allem im arktischen Winter eine große Rolle bei der Wolkenbildung. »Das ist besonders interessant, weil man weiß, dass die stärkste Erwärmung in der Arktis im Winter stattfindet«, bemerkt Zieger.

Laut Weltklimarat tragen die komplexen Prozesse um Wolken und Aerosole (Feinstaub) zu den größten Unsicherheiten im Strahlungshaushalt von Klimaprojektionen bei. Deswegen fährt Zieger seit Jahren regelmäßig auf fast 79 Grad nördlicher Breite zum Zeppelin-Berg bei der nördlichsten Siedlung der Welt, dem internationalen Forscherdorf Ny-Ålesund auf Spitzbergen.

Die sauberste Luft der Welt

Auf dem Berg thront das Zeppelin-Observatorium, von dessen Terrassen aus die kalbenden Gletscher auf der anderen Fjordseite nur eine Spazierfahrt entfernt scheinen. Doch weit gefehlt: Im Jahr 2018 machten zwei deutsche Forscher einen sonnigen Kanu-Ausflug zum nächstgelegenen Gletscher – um auf halbem Weg wieder umzukehren. Wer zum ersten Mal in die Arktis kommt, verschätzt sich wegen der extrem sauberen Luft: Hier ist die Trübung durch Feinstaub und Wasser so gering, dass die Sichtweite ungewohnt groß ist. »Sie hätten vorher die Karte studieren sollen«, bemerkt Helge Markussen schmunzelnd, der die norwegische Polarstation in Ny-Ålesund samt Zeppelin-Observatorium leitet. »Dann hätten die Freizeitpaddler wohl festgestellt, dass dieser Gletscher nicht nur ein paar, sondern ganze 14 Kilometer entfernt ist.«

Etliche Nationen betreiben eine beeindruckende Auswahl verschiedener spezialisierter Messinstrumente auf der Zeppelin-Station. So messen Norweger beispielsweise meteorologische Parameter, Gase und Schadstoffe in der Luft, Schweizer messen die Rußkonzentrationen, Japaner die Größenverteilung der Wolkentröpfchen, wieder andere Gruppen Strahlung. Alle zusammen erfüllen sie eine Art Watchdog-Funktion: Denn von hier aus schlugen Wissenschaftler 2015 Alarm, als die CO2-Konzentration in der Atmosphäre die 400-ppm-Grenze überschritt. Ein Jahr zuvor stellten sie fest, dass schädliche Substanzen von Pflegeprodukten ihren Weg nach Svalbard gefunden hatten, und Jahre vorher meldeten sie gefährlich hohe Quecksilberkonzentrationen in der arktischen Atmosphäre, die auch auf die Europäische Kohleindustrie zurückgingen.

Ein Forscher bedient Messinstrumente im Labor auf dem Zeppelinberg.Laden...
Im Wolkenlabor | Im Labor auf dem Zeppelin-Berg kalibriert ein Forscher gerade ein Messgerät, das Rußteilchen in der Luft erfasst. Die vielen Messinstrumente heizen den Raum so stark auf, dass er gekühlt werden muss – obwohl vor der Tür das ganze Jahr Schnee liegt.

Warum sich die nördlichen Polargebiete doppelt so schnell erwärmen wie die Erde insgesamt, ist immer noch rätselhaft. Das gilt vor allem für den arktischen Winter, der besonders schnell wärmer wird und dadurch gebietsweise um Wochen verkürzt ist. Ein guter Teil der höheren Temperaturen lässt sich auf veränderte Luftströmungen zurückführen, die mehr Tiefdruckgebiete in den hohen Norden bringen und mit ihnen warme Luft.

Ein weiterer Teil hängt mit Rückkopplungseffekten zusammen: Wo beispielsweise die isolierende Meereisdecke schmilzt, kann der Ozean seine Wärme direkt an die Luft abgeben. Im Winter sind auch eintreffende Meeresströmungen sowie die ganze Luftsäule bis in acht Kilometer Höhe wärmer. Doch gänzlich geklärt ist die rasante arktische Erwärmung, die mit dem Klima des gesamten Planeten auf komplexe Weise verbunden ist, noch nicht.

Das erschwert es Klimamodellierern, die komplexen Zusammenhänge in eine für Computer verdauliche mathematische Form zu bringen. Unsicherheiten in diesen mathematischen Vereinfachungen pflanzen sich fort und führen letztlich zu den unterschiedlichen Klimaprojektionen. Der Weltklimarat IPCC zeigt in seinem Report mit der generellen Erwärmung durchaus den Konsens sämtlicher Modelle. Die projizierten Endtemperaturen für 2100 klaffen aber für jedes berechnete CO2-Emissionsszenario um einige Grad auseinander.

Wie Wolken Klimaforscher nerven

Nanometergroße Partikel als Wolkenbildner würden derzeit gar nicht in Klimamodellen berücksichtigt, betont Zieger. Ihr Einfluss könnte allerdings erheblich sein. Arktische Wolken spielen vermutlich eine Schlüsselrolle bei der rasanten arktischen Erwärmung. Sie beeinflussen das Klima, denn sie regulieren den Strahlungshaushalt: Manche Wolken reflektieren die Sonnenenergie über ihnen in den Weltraum zurück und kühlen somit die Atmosphäre. Im arktischen Winter dagegen, wenn die Sonne kaum oder überhaupt nicht scheint, ist quasi jede Wolke eine Wärmedecke.

Gleichzeitig ist die Arktis dank der üblicherweise geringen Konzentration an Aerosolen der ideale Ort, um die Wolkenbildung unverfälscht zu studieren. Im Großraum Frankfurt misst der Deutsche Wetterdienst bei sehr trockener Luft bestenfalls eine atmosphärische Sichtweite von 75 Kilometern – das ist die Messgrenze des Geräts. Auf der Zeppelin-Station hingegen bestimmt ein Laser eine maximale theoretische Sichtweite von mehr als 200 Kilometern.

Den Unterschied macht der Feinstaub: Aerosole sind mikro- bis nanometergroße, in der Luft schwebende Partikel aus anorganischen und organischen Stoffen wie Ruß, Sulfate, Meersalz, Pollen, Bakterien oder Schwefelsäure. Gemäß der Köhler-Theorie entstehen Wolkentröpfchen um ein solches Aerosolpartikel herum, es dient als Kondensationskern. Zieger erläutert: »Sobald wir Menschen zusätzliche Partikel in die Atmosphäre bringen, ändern wir den Strahlungstransport und, da jedes Wolkentröpfchen ein Aerosolpartikel braucht, auch die Wolkenbildung.«

Wie sich Wolken bilden und ob sie das Klima erwärmen oder abkühlen, hängt ab von Höhe und Wassersättigung, von Aerosolgehalt und -verteilung, aber auch davon, woraus die Aerosole bestehen und wie sie mit Wolken wechselwirken. Denn die Teilchen selbst beeinflussen das Klima ebenfalls: Schwarze Rußpartikel nehmen beispielsweise die Sonnenenergie auf und erwärmen die Atmosphäre. Die meisten Partikel, darunter Meersalz und Sulfate, seien aber weiß, reflektieren das Sonnenlicht und wirken daher abkühlend auf die Atmosphäre. »Andererseits«, betont Zieger, »braucht nicht nur jedes Wolkentröpfchen, sondern auch jedes Eiskriställchen ein Aerosolpartikel, um zu entstehen.«

Die Rolle der Aerosole

In der Arktis wird die Wolkenbildung daher noch komplexer. Hier gibt es drei Arten von Wolken: Wolken aus Wassertröpfchen, Eiswolken aus Eiskristallen und Mischphasenwolken, die aus Eiskristallen und Wassertropfen bestehen. »Bei Eisbildung ist es allerdings etwas komplizierter, denn hier kommen noch zusätzliche, oft ungenügend verstandene Eisprozesse hinzu«, erklärt Zieger, »so genannte sekundäre Eisprozesse.«

Panoramaaufnahme von der Terrasse des Zeppelin-Bergs über Ny-Ålesund und den Fjord auf Berge und Gletscher am anderen Ufer.Laden...
Ausblick vom Zeppelin-Berg | Täuschend nah erscheinen die Gletscher auf der anderen Seite des Fjords – doch der Eindruck täuscht. Dank der extrem sauberen Luft im hohen Norden kann man vom Zeppelin-Berg ungewohnt weit blicken. Aber auch hier gibt es Feinstaub in der Luft. Er kommt aus natürlichen Quellen und beeinflusst die Wolkenbildung.

Um arktische Wolken besser zu verstehen, geht ihnen Ziegers Team wörtlich auf den Kern und misst Aerosole, Wolkentröpfchen und Eiskristalle im Einzelnen: »Wir trocknen die Tröpfchen und gucken dann nur den Nukleus an, der zur Wolkenbildung geführt hat. Also den Wolkentropfenkern – und zwar fast gänzlich ohne Wasser.« Die getrockneten Kerne werden auf Größe und chemische Eigenschaften analysiert.

»Wir wollen Wolken besser beschreiben, indem wir die Quellen besser verstehen. Wir wissen gar nicht so genau, wo diese ganz kleinen Partikel in der Arktis herkommen – es ist alles möglich.« Die Kondensationskerne könnten sowohl natürlichen als auch menschlichen Ursprungs sein. Die Arktis wird regelmäßig von »arctic haze« heimgesucht, einem Phänomen, bei dem verstärkt verschmutzte Luft aus Asien und Europa gen Norden transportiert wird. Dieser jährliche Haze-Zyklus hat zwar auch Einfluss auf die Wolkenbildung, allerdings liegt sein Höhepunkt nicht im Winter, sondern im Frühling.

Überhaupt bedeuten die Nanopartikel eine Herausforderung, denn die Masse der Teilchen ist zu gering, um sie konventionell nach stofflichen Eigenschaften zu untersuchen. Dafür sind verschiedene Aufrüstungen der Messeinrichtung notwendig, die im Lauf des Jahres 2020 erfolgen sollen.

Eine andere Aufrüstung erfolgt bereits: Ziegers Doktorand Gabriel Freitas will in einem neuen Projekt die Wolkenkerne auf Fluoreszenz und Form untersuchen. Wenn sie nach einer speziellen Bestrahlung leuchten und eine bestimmte Form aufweisen, sind sie höchstwahrscheinlich biologischen Ursprungs. Das Material wäre dann aus dem Ozean, von Pflanzen – zum Beispiel Pollen – oder Bakterien. Freitas bewerkstelligt das mit einer Art Bioaerosol-Detektor, der ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt wurde, um biologische Kampfstoffe zu registrieren, und nun für die Wolkenforschung umfunktioniert wird.

Der Wolkenstaubsauger

Zieger vermutet jedoch, dass größere Eiskristalle auch auseinanderbrechen und wieder zur Wolkenbildung zur Verfügung stehen können. Der gemessene Kern wäre dann kleiner als der Ursprungskern; dadurch würden solche Messungen die Bedeutung von Nanopartikeln wiederum überschätzen. Weil beim Trocknen der Kerne aber Eis zu Wasser schmilzt, lässt sich erst einmal nicht überprüfen, ob ein solcher Urkern gefroren war oder nicht – die Hypothese bleibt somit vorerst Spekulation.

Derweil montieren der Professor und sein Doktorand gerade das Fluoreszenzmessgerät an ihr liebevoll als »Wolkenstaubsauger« bezeichnetes Messgerät. Die raketenförmige, offiziell als Wolkeneinlass bezeichnete Apparatur bildet das Herzstück der neuen Messeinrichtung zur detaillierten Analyse der Wolkenkerne. Sie ist eine von wenigen weltweit – und die einzige in der Arktis.

Aber sie ist hier nur eine von einer Vielzahl unterschiedlicher Apparaturen, mit denen Forschergruppen aus aller Welt die Atmosphäre observieren. Es erscheint paradox angesichts der bitteren Kälte draußen: Doch es stehen so viele Wärme produzierende Instrumente in den Räumlichkeiten, dass eine Klimaanlage das arktische Observatorium auf angenehme 20 Grad herunterkühlen muss. Zudem sind viele Fenster mit Aluminiumfolie abgedunkelt, damit im Sommer die 24 Stunden lang scheinende Sonne die Labore nicht noch zusätzlich erwärmt.

Der Stationsleiter Helge Markussen und sein Team aus Ingenieuren und Technikern warten täglich die Instrumente der internationalen Arbeitsgruppen, wechseln Filter, füllen Lösungen nach, machen Wetterbeobachtungen und führen etwaige Reparaturen durch. Nach draußen auf die Terrasse geht er nur, wenn es unbedingt notwendig ist, und notiert im Logbuch anschließend seine genaue Aufenthaltsdauer. Denn manche Schadstoffmessgeräte sind hochempfindlich und spüren menschliche Ausdünstungen. So darf man die Terrasse auch nicht mit bestimmten Kleidungsstücken und Parfüms betreten – das könnte Messpunkte verfälschen.

Jetzt jedoch steht der Stationsleiter draußen bei eisigem Wind, da eine Wolke das Observatorium passiert: ein perfekter Zeitpunkt für Zieger, um die Funktionsweise des Wolkenstaubsaugers zu demonstrieren, den Markussens Team in Zukunft auch betreuen soll. Ähnlich, wie ein Rauchmelder Alarm schlägt, startet der Sichtweitenmesser den Wolkenstaubsauger, sobald die Sichtweite unter einen Kilometer fällt und damit eine Wolke ankündigt.

Auf dem Zeppelin-Berg

Dann öffnet sich der Raketenkopf und saugt mit einer Pumpe laut tosend das Gemisch aus Luft, Wolkentröpfchen, Eiskristallen und Aerosolen ins Innere. Zieger hält seine Hand demonstrativ in den Sog des Wolkenstaubsaugers, während er dem Stationsleiter das Funktionsprinzip erklärt: Die Wolke wird im Inneren des Geräts mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Metern pro Sekunde auf eine Spitze gelenkt. »In dieser Spitze herrscht ein kleiner Gegenstrom. So selektieren wir nur die Wolkentröpfchen und Eiskristalle.« Die nämlich sind groß und schwer genug, um einfach weiterzufliegen. Die nicht aktivierten Wolkenpartikel, also jene, die kein Wasser anlagern und deswegen auch nicht als Keime für Tropfen oder Kristalle dienten, lenkt der Gegenstrom dagegen um; sie werden separat gesammelt.

Der Einlass des Wolkenstaubsaugers vor dem Panorama Spitzbergens.Laden...
Der Wolkenstaubsauger | Ein ausgeklügeltes Trennverfahren mit zwei entgegengesetzten Luftströmungen trennt »aktivierte« Staubteilchen, an denen Wasser zu Wolkentröpfchen kondensiert, von inaktiven Partikeln, die nicht zur Wolkenbildung beitragen.

Diese Differenzierung zwischen aktivierten und nicht aktivierten Staubteilchen, und zwar in der Wolke selbst, ist die entscheidende Neuerung bei Ziegers Verfahren. Andere Messmethoden bestimmen die Wolkenkernkonzentration in einem Quäntchen Luft, indem alle Aerosole gesammelt, getrocknet und dann verschiedenen festgesetzten Übersättigungsdrücken ausgesetzt werden. So führt man eine künstliche Aktivierung zu Wolkenkernen herbei, die dann erst gemessen wird. Die Messeinrichtung des Stockholmer Forschers hingegen studiert die Originalkerne und unterscheidet, welche Partikel tatsächlich natürlich aktiviert wurden und welche nicht.

Die eingesaugte Luft wird in die Innenräume des Observatoriums geleitet und dort automatisch analysiert. Ein Computersystem erfasst die Ergebnisse und stellt sie in Echtzeit ins interne Netz, so dass die Forscher später jede Änderung live aus ihren Universitätsbüros mitverfolgen können. Noch sind sie aber unter dem frostgrauen Himmel und müssen sich sputen, ihre Apparaturen zu installieren und zu kalibrieren, denn in wenigen Tagen fliegen sie zurück nach Schweden.

Stationsleiter Markussen hat sich derweil verabschiedet und fährt mit der Gondel hinunter, um auf der Bodenstation seiner täglichen Routine nachzugehen. Freitas versucht mit vom Wind steif gefrorenen Fingern, einen Feuchtigkeitsmesser an das Geländer zu schrauben. Währenddessen kalibriert Zieger drinnen mit Schallschutzkopfhörern das Ultraschall-Anemometer, das 100-mal pro Sekunde Richtung und Geschwindigkeit des arktischen Windes aufzeichnet – schließlich will man auch wissen, woher die eingesaugte Wolke kommt und wie schnell. Das kann man später mit großflächigen Wolkenradarmessungen vergleichen. Und noch besser: Mit direkten Echtzeit-Messungen aus dem Zeppelin-Observatorium überprüft man Daten aus Fernerkundungsmethoden, die reale Werte ja nur indirekt bestimmen können.

Plötzlich fällt der Strom aus. Die Labore liegen im Dunkeln, die Notstromaggregate springen piepend an und versorgen noch etwa eine halbe Stunde lang die diversen blinkenden Apparate. Dann wird es still in der Station, und Zieger nimmt seinen Kopfhörer ab.

Die Zwangspause spendet einige Momente Ruhe. Denn die Forscher sind stets von früh bis spät am Schrauben, Programmieren, Kalibrieren – mit Ausnahme der Mittagspause, für die sie mit der Gondel ins Tal zum Essen mit allen anderen Wissenschaftlern in Ny-Ålesund fahren. Zieger hat sich hier angewöhnt, mittags nichts zu trinken, da es auf dem Observatorium keine Toilette gibt und es bei den sensiblen Instrumenten streng verboten ist, sich draußen zu erleichtern.

Kichererbsen und Klotüte

Der Stromausfall überrascht ihn. Das sei ungewöhnlich, weil Ny-Ålesund seinen eigenen Generator und Notfallgenerator betreibt. Er ist aber nicht beunruhigt, schließlich sei ein Stromausfall nur im Winter bedenklich, wenn die elektrischen Heizungen ausfallen und die tiefen Minustemperaturen lebensgefährlich werden können – dafür gäbe es dann Evakuierungspläne. Er verschafft sich einen Überblick und stellt zufrieden fest: »Es gibt hier eine Notfall-Toilette via Tüte, zwei Schlafsäcke und eine Dose Kichererbsen, falls wir hier übernachten müssen.« Denn ohne Strom fährt die Gondel nicht ins Tal.

Nach einigen Stunden ist das Problem zum Glück behoben. Stationsleiter Markussen ruft die Forscher auf dem Berg an und lässt sie die Geräte überprüfen – wo sie schon mal da sind. Fast alle internationalen Geräte starten automatisch wieder und setzen ihre Messreihen unbehelligt fort, so auch der Wolkenstaubsauger.

Dieser soll 2020 das ganze Jahr über im Zeppelin-Observatorium messen und mit weiteren Analysetechniken ausgestattet werden. Die Forscher kooperieren auch mit MOSAiC, der bisher größten Arktisexpedition, bei der sich die Wissenschaftler auf der »Polarstern« im Meereis einfrieren lassen werden: »Während des MOSAiC-Jahres werden wir hier auf Zeppelin unsere Messungen intensivieren, um mit den Daten zur wissenschaftlichen Auswertung beitragen zu können«, sagt Zieger und fügt stolz hinzu: »Unsere Daten werden für die MOSAiC-Auswertungen eine wichtige Referenz sein.«

Im November 2019 fährt Zieger wieder zum Zeppelin-Observatorium, um mit seinen Kollegen ein Massenspektrometer zu installieren, das die chemischen Bestandteile der Wolkenkeime vor Ort identifizieren kann. Das Verfahren kommt gerade rechtzeitig. Seit im Frühjahr andere Atmosphärenforscher in den Pyrenäen weit außerhalb einer Stadt Mikroplastik in der Luft gefunden haben, steht die Frage im Raum, ob es solche Kunststoffteilchen sogar in die Arktis schaffen könnten. Zur Wolkenbildung werden diese Partikel wahrscheinlich nicht nennenswert beitragen. Aber wenn, dann werden es die Forscher auf dem Zeppelin-Berg als Erste erfahren.

Die Reise nach Ny-Ålesund, Svalbard, wurde der Autorin ermöglicht durch ein Stipendium der Robert-Bosch-Stiftung und n-ost im Rahmen des Cross-Border-Journalisten-Programms »Reporters in the Field«.

44/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 44/2019

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