Die Arktis und daran angrenzende Regionen erwärmen sich derzeit bis zu viermal schneller als der Rest der Erde. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Abschmelzen von Eis und Schnee. Es verursacht durch die entsprechend reduzierte Reflexion der Sonnenstrahlung einen verstärkenden Rückkopplungseffekt. Doch dieser Faktor allein erklärt nicht das gesamte Ausmaß des Temperaturanstiegs.

Einen möglichen weiteren Beitrag liefern Wolken aus winzigen Eiskristallen, die durch Kondensation von Wasserdampf an Aerosolpartikeln entstehen. Letztere sind maximal wenige Mikrometer große, schwebende Teilchen und auch in der saubersten Luft immer zu finden. Eiswolken lassen die kurzwellige Strahlung der Sonne durch, streuen jedoch die langwellige Wärmestrahlung der Erde wieder zurück zur Oberfläche, die sich dadurch erwärmt.

Die Auswirkungen lassen sich prinzipiell zwar gut berechnen; trotzdem sind Eiswolken einer der größten Unsicherheitsfaktoren in Klimamodellen. Denn die Studienlage reicht noch bei Weitem nicht aus, um vorhersagen zu können, wie genau und wann sie sich bilden. Wo liegt das Problem?

Wolkentröpfchen aus reinem Wasser gefrieren erst bei Temperaturen von etwa –38 Grad Celsius (°C). Dieser Wert erhöht sich aber deutlich, wenn sogenannte Eiskeime dazukommen. Die besonderen Oberflächenstrukturen derartiger Partikel erleichtern die Bildung von Eiskristallen. Wenn Klimamodelle den Einfluss von Eiswolken korrekt vorhersagen sollen, braucht es also genauere Kenntnisse darüber, welche Partikel in der Atmosphäre als gute Eiskeime dienen.

Die effizientesten bisher bekannten Eiskeime sind biologischen Ursprungs: Bakterien, Pilzsporen, Pollen. Sie lösen die Eisbildung schon ab –15 °C bis hinauf zu wenigen Grad unter null aus. Bisher wurden solche biogenen Eiskeime vorwiegend im Labor untersucht, wo sich aber die immense Vielfalt aller in der Natur vorkommenden biologischen Partikel nicht abdecken lässt.

Ein Team unter der Leitung von Professor Hinrich Grothe an der Technischen Universität Wien untersuchte nun solche Eiskeime in der arktischen und subarktischen Umwelt. Der inzwischen an der Universität Aarhus forschende Atmosphärenwissenschaftler Jürgen Gratzl verbrachte dafür 2022 und 2023 mehrere Wochen auf dem Samaltunuri Hill im Pallas Yllästunturi National Park im finnischen Lappland. Der 565 Meter hohe Samaltunuri liegt an den Ausläufern der skandinavischen Taiga-Wälder etwa 170 Kilometer nördlich des Polarkreises.

Messstation in den Wolken

Die unmittelbare Umgebung der auf dem niedrigen Gipfel gelegenen Atmosphären-Messtation ist von karger Vegetation, Flechten und Moosen geprägt. An klaren Tagen bietet sich eine beeindruckende Aussicht auf die nördlichen Ausläufer des borealen Nadelwalds. Allerdings liegt die Messstation während etwa 40 Prozent der gesamten Zeit innerhalb von Wolken, weshalb sie ideale Bedingungen zum Untersuchen von Eiskeimen bietet.

»Die Erforschung von Eiskeimen biologischen Ursprungs direkt in der Natur erforderte eine multidisziplinäre Zusammenarbeit von Aerosolforschung, Aerobiologie und Mikrobiologie«, erklärt Gratzl den Ansatz der Studie, die sich in erster Linie auf Pilzsporen fokussiert. Das Team klassifizierte das organische Material direkt in der Luft mithilfe eines Fluoreszenz-Spektrometers. Außerdem erfasste es die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Aerosols und kombinierte diese Daten mit DNA-Analysen der mittels Filter gesammelten Partikel. Im Labor wurden zusätzlich in akribischer Kleinarbeit etwa 7000 einzelne Pilzsporen aus den Proben einer Pollenfalle unter dem Mikroskop kategorisiert und ausgezählt.

Die Ergebnisse waren überraschend: Laut den DNA-Analysen schwebten etwa neunmal so viele Sporen von Ständerpilzen (Basidiomycota) wie von Schimmelpilzen in der Luft. Dabei waren bisher fast nur Schimmelpilzsporen als gute Eiskeime experimentell bestätigt worden. Was letztlich auch wenig verwunderte, denn die meisten Studien zur Eisbildungsfähigkeit von Pilzsporen hatten sich bislang auf Schimmelpilze konzentriert, die sich leicht für Laborversuche züchten lassen.

Was Pfifferlinge mit Eiswolken zu tun haben

Insgesamt fanden sich DNA-Spuren von über 200 Pilzspezies. Parallele Messungen der Eisbildung ergaben, dass die Sporen von Ständerpilzen – zu denen auch Speisepilze wie Pfifferlinge oder Champignons zählen – mit großer Wahrscheinlichkeit für einen Teil der Eiswolkenentstehung bei vergleichsweise milden Minusgraden verantwortlich sind.

Dass manche Partikel biologischer Herkunft besonders gute Eiskeime sind, dürfte kein Zufall sein. Denn die Fähigkeit, sich in Eiskristallen einschließen zu lassen, könnte Mikroben, Sporen oder Pollen helfen, sich über weite Strecken in der Atmosphäre zu verbreiten. Zunächst in große Höhen aufgewirbelt, müssen sie irgendwann wieder auf den Boden zurück, um sich zu vermehren. Da aus Eispartikeln leicht Niederschlag entsteht, fallen sie zusammen mit dem Hagel, Schnee oder – wenn es in niedrigeren Atmosphärenschichten wärmer ist – Regen nach unten. Gemäß dieser Theorie hätten sie einen evolutionären Vorteil bei der Verbreitung in weiter entfernte Lebensräume, indem sie passiv die Wolken- und Niederschlagsbildung beeinflussen.

Die Fähigkeit, schon bei wenigen Minusgraden Eiskristalle zu formen, hilft außerdem manchen epiphytischen Bakterien dabei, in Pflanzenzellen einzudringen und an Nährstoffe zu gelangen. Besonders gut erforscht sind in dieser Hinsicht Pflanzenschädlinge aus der Gattung Pseudomonas. Sie lösen die Umwandlung von Wasser zu Eis schon bei –2 °C aus. Das Bakterium Pseudomonas syringae beispielsweise befällt als Krankheitserreger Obstbäume und begünstigt Frostschäden. Unter dem Markennamen »Snomax« wird es manchmal sogar als Zusatzstoff zum Erzeugen von Kunstschnee eingesetzt, ist allerdings nicht in allen Ländern zugelassen.

Aber warum genau sind biogene Partikel so gute Eiskeime? Welche physikalischen Prozesse stecken dahinter? Hier ist sich die Forschung bisher nicht einig. Lange Zeit wurde die sogenannte Epitaxie zur Erklärung herangezogen. Ihr zufolge könnten Wassermoleküle auf der Oberfläche des Partikels an hexagonal angeordnete Moleküle oder »funktionale Gruppen« andocken, die damit eine ähnliche Geometrie wie Eiskristalle aufweisen. Dadurch würden sie automatisch eine Eisstruktur formen. Diese Annahme ist mittlerweile allerdings stark umstritten.

Welche physikalischen Mechanismen die Eiskristallbildung fördern

Bei biogenen Eiskeimen spielen laut neueren Studien bestimmte Proteine an der Partikeloberfläche eine wichtige Rolle, die sich zu größeren Aggregaten zusammenfinden. Das kann auf mehreren Wegen die Eisbildung fördern, etwa über das besondere Verhalten von Wasser in kleinen Hohlräumen. So bildet Wasser im Innern von wenige Nanometer dünnen Röhrchen aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen auch bei über 0 °C Strukturen, die jenen in Eiskristallen ähneln. Vergleichbare Hohlräume könnten etwa in den Zwischenräumen von Proteinaggregaten eine Rolle spielen und Wassermolekülen den Wechsel von flüssig zu fest bei höheren Temperaturen erleichtern.

»Das ist ein bisschen so, wie wenn du mit einem Porsche gegen die Wand fährst«Hinrich Grothe, Physikalischer Chemiker

Ein möglicher weiterer Aspekt könnte laut Hinrich Grothe sein, dass eisaktive Proteine Wärmeenergie besonders gut aufnehmen. Die einzelnen Wassermoleküle bewegen sich sogar bei 0 °C noch relativ schnell; innerhalb von Nanosekunden lösen sich die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen ihnen und bilden sich erneut. Beim Gefrieren muss die Molekülbewegung abrupt gestoppt und eine wesentlich höhere Beständigkeit der Bindungen erreicht werden.

»Das ist ein bisschen so, wie wenn du mit einem Porsche gegen die Wand fährst: Wo geht dann die kinetische Energie hin?«, fragt Grothe. Ein Teil der Energie wird zwar messbar als Wärmestrahlung abgegeben. Eine denkbare Erklärung wäre aber, dass die restliche Energie in Form von Molekülschwingungen der Proteine absorbiert wird.

»Generell sind bestimmte Strukturen bekannt, die alle eisaktiven Proteine besitzen. Umgekehrt gibt es diese Strukturen aber auch in Proteinen, die nicht eisaktiv sind«, fasst Grothe den aktuellen Stand der Forschung zusammen. »Wir suchen also nach spezifischen Strukturen von eisaktiven Proteinen. Biologie, Chemie und Physik haben jeweils einzelne Bausteine für eine Erklärung beigesteuert, aber eine umfassende Theorie dazu fehlt bisher.«

Baumpilze könnten eine wichtige Rolle spielen

Ob die Sporen von Pfifferlingen und Champignons gute Eiskeime sind, lässt sich aus den Ergebnissen der Feldstudie in der finnischen Taiga nicht ableiten. Zu den Ständerpilzen zählen aber noch weit mehr Arten als jene, auf die Sammler von Speisepilzen im Wald gewöhnlich achten: Auch die Sporen von Baum- oder Rindenpilzen kommen als Eiskeime infrage. Vor allem Erstere sind selbst dann in der Luft zu finden, wenn der Boden mit Schnee bedeckt ist, wie die Messdaten zeigten. Deren Eisaktivität zu analysieren, ist ein Ziel der aktuellen Forschung. 

»Die Erforschung von Eiskeimen biologischen Ursprungs direkt in der Natur erfordert eine multidisziplinäre Zusammenarbeit«Jürgen Gratzl, Atmosphärenwissenschaftler

Auf jeden Fall könnten Pilzsporen weitaus mehr als bisher gedacht die Eiswolkenbildung in subarktischen Gebieten unterstützen. Für das Modellieren der dortigen klimatischen Veränderungen ist diese Erkenntnis ein wichtiger Schritt: Durch die Erderwärmung verlängern sich die Vegetationsperioden, was die Bildung von Eiswolken durch Pilzsporen fördern könnte – und damit steigen wiederum die Temperaturen weiter.