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Aerosole: Wolkenbildung im Labor nachgespielt

Die Wolkenkammer des CLOUD-Experiments
Damit sich Wolken bilden, braucht es Kondensationskeime, etwa kleine Tröpfen oder Staubkörnchen in der Erdatmosphäre. Im CLOUD-Experiment am Forschungszentrum CERN bei Genf haben Forscher nun unter kontrollierten Bedingungen untersucht, wie solche Aerosole entstehen und welchen Einfluss die kosmische Strahlung, die aus allen Teilen des Weltalls auf die Erde trifft, auf diese Prozesse hat.

In einer 26 Kubikmeter großen Experimentierkammer schufen Jasper Kirkby vom CERN und seine Kollegen eine künstliche Erdatmosphäre, bei der sich Temperatur, Feuchtigkeit und Konzentration an Spurengasen exakt einstellen lassen. Zudem erlaubt der Versuch, das Partikelwachstum genauestens zu verfolgen – von einzelnen Molekülen bis hin zu stabilen Aerosolen. Denn erst ab rund 50 Nanometern eignen sich die Partikel als Kondensationskeime für Wolkentöpfchen.

Vom Molekül zum Kondensationskeim | Moleküle in der Erdatmosphäre klumpen zusammen und bilden so stabile Aerosole. Erst ab einer Größe von rund 50 Nanometern eignen sich die Partikel als Kondensationskeime für Wolkentöpfchen.
Unter verschiedenen Bedingungen prüften die Forscher, wie sich Schwefelsäurepartikel verhalten, die in der Erdatmosphäre vorrangig zu Aerosolen zusammenklumpen und damit maßgeblich zur Wolkenbildung beitragen sollen. Neben Wasserdampf dürften auch Ammoniakmoleküle dabei eine große Rolle spielen. Dies konnten die Wissenschaftler nun bestätigen: Der in der Atmosphäre übliche Ammoniakgehalt erhöhte die Keimbildung von Schwefelsäurepartikeln im Experiment um das Hundert- bis Tausendfache. In der erdnahen Atmosphäre sei die Konzentration der beiden Moleküle dennoch zu gering, um die dort beobachtete Keimbildungsrate von Schwefelsäurepartikeln zu erklären. In der Experimentierkammer lag die Rate zehn- bis tausendmal darunter, berichten Kirkby und sein Team.

Als sie ionisierende Strahlung aus einem Teilchenbeschleuniger – stellvertretend für die natürliche kosmische Strahlung – in die künstliche Erdatmosphäre lenkten, beobachteten die Forscher einen deutlichen Anstieg der Keimbildungsrate. Die neu entstandenen Ionen steigerten diese bis um das Zehnfache. Trotzdem seien zumindest in der erdnahen Atmosphäre weitere Bestandteile, sehr wahrscheinlich organische Verbindungen, nötig, um für die dort gemessenen Keimbildungsraten aufzukommen. In den kühlen Temperaturen der mittleren Troposphäre und darüber könnten Schwefelsäure und Wasserdampf dagegen auch ohne zusätzliche Stoffe zu Aerosolen zusammenklumpen.

Nach gegenwärtigen Schätzungen formt sich die Hälfte der Wolkentröpfen auf Aerosolen, die sich erst durch das Ansammeln von Molekülen in der Erdatmosphäre bilden und nicht direkt in die Atmosphäre gelangen, etwa durch den Menschen. Wie sich diese Keime bilden, ist bisher allerdings nicht gut verstanden. Da die Schwebeteilchen das Sonnenlicht reflektieren und zudem als Kondensationskeime dienen, beeinflussen sie das Klima der Erde. Welche Bedeutung dabei letztlich der kosmischen Strahlung zukommt, könne man aber erst eindeutig feststellen, wenn die zusätzlichen Komponenten zur Keimbildung identifiziert und der Einfluss der Ionen auf diese gemessen worden ist, so die Forscher. Von Interesse sei auch, ob ihre Quellen vor allem natürlichen oder menschlichen Ursprungs sind.

Die Resultate des Experiments tragen aber jetzt schon dazu bei, Klimamodelle zu verbessern. So muss die bisherige Annahme über die Bildung von Aerosolen in der Erdatmosphäre korrigiert werden, da offenbar neben den bisher berücksichtigten noch andere Spurengase dazu beitragen. (mp)

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