Noch bevor Wolken wachsen

19.06.2019

Wolken entstehen, wenn sich überschüssiger Wasserdampf aus der Atmosphäre an Aerosol-Teilchen anlagert. Wie neue Aerosole aus atmosphärischen Spurengasen entstehen, untersucht der Physiker Paul Winkler von der Universität Wien mit internationalen KollegInnen in dem Projekt "CLOUD", welches heuer sein Zehn-Jahres-Jubiläum feiert.

Wolken spielen eine zentrale Rolle für unser Klima. Sie wirken wie ein Schild gegen die eintreffenden Sonnenstrahlen und sorgen damit für Kühlung. Sie absorbieren die langwellige Wärmestrahlung der Erde auf dem Weg ins All, mit einer Art Treibhauseffekt als Folge. Auch der globale Wasserhaushalt wird von den Wolken geprägt.

Der Einfluss der Wolken auf das Klima ist per se nicht leicht zu modellieren. Die spontane Entstehung von Wolkenkondensationskernen erschwert die Modellierung nochmals. Wie es zur Bildung dieser Wolkenkeime kommt, will ein Großprojekt am Kernforschungszentrum CERN klären. Vor zehn Jahren starteten die ersten Experimente im Rahmen von CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets), das von dem britischen Teilchenphysiker Jasper Kirkby ins Leben gerufen wurde und heute knapp zwei Dutzend Forschungseinrichtungen aus aller Welt umfasst.

Wolkenkammer am CERN

"Unser Ziel ist es zu untersuchen, wie sich neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre bilden und welche Rolle sie für die Wolkenentstehung und letztlich für das Klima spielen", sagt Paul Winkler, der mit seiner Gruppe der Aerosol- und Umweltphysik bei CLOUD dabei ist. Winkler hat die Projektbeteiligung von Paul Wagner, seinem damaligen Doktorvater an der Uni Wien und einer der CLOUD-Gründungsväter, geerbt. Schon als Doktorand habe er geahnt, "dass sich hier etwas sehr Spannendes zusammenbraut".

Hier braut sich etwas sehr Spannendes zusammen.

Ein eigens eingerichteter, 26 Kubikmeter großer Edelstahltank dient den ForscherInnen als Simulationslabor. Die Wolkenkammer kann unterschiedlich bespielt werden: Künstlich erzeugte Protonenstrahlung – als kosmische Strahlungskomponente – sowie UV-Licht, Vorläufergase, Spurengase und weitere Komponenten können unter streng kontrollierten Bedingungen (z.B. Temperatur) ins Innere der Kammer zugeführt werden.  

"Die Aerosolteilchen benötigen eine Größe von 50 bis 100 Nanometer Durchmesser, damit sich Wasserdampf unter atmosphärischen Bedingungen anlagern kann", sagt Winkler. Aerosole für die Wolkenbildung sind Staubteilchen oder auch Meersalzkristalle – oder eben Konglomerate aus Nanoteilchen. "Uns interessiert, wie es zur Nukleation dieser Nanoteilchen kommt."

  • Maßgeblich für klimarelevante Strahlungseigenschaften von Wolken und Niederschlagsbildung ist vor allem die Anzahl der Kondensationskeime. Nach allen bisherigen Modellen liefern die weltweit vorkommenden Nanoteilchen den größten Anteil für die Anzahlkonzentration – sie sind für die Wolkenentstehung von entscheidender Bedeutung.

Schwefelsäure muss nicht sein

Lange ging die Forschung davon aus, dass für die Nukleation atmosphärische Schwefelsäure benötigt wird. "Schwefelsäure kann aufgrund ihres niedrigen Sättigungsdampfdruckes sehr schnell den Bau kleiner Kernteilchen, also Cluster bestehend aus wenigen Moleküklen, begünstigen", so Winkler.

Ist einmal ein Minikern gebildet, kann daraus ein Nanoteilchen mit Hilfe organischer Spurengase heranwachsen: Diese Gase werden z.B. von Pflanzen emittiert; im Kontakt mit dem atmosphärischen Ozon oxidieren sie. Nach diesem chemischen Umbau können sich ihre organischen Moleküle um die Minikerne aus Nanoteilchen anlagern. Ein teilchenbildendes Gas ist etwa Alpha-Pinen, das dem Nadelwald seinen charakteristischen Duft verleiht.

"Großer Durchbruch"

Doch die organischen Substanzen dienen nicht nur dem Wachstum von Wolkenkondensationskernen. Die organischen Moleküle können auch ganz ohne die Vorarbeit von Schwefelsäure Wolkenkeime bilden, wie die CLOUD-ForscherInnen 2016 in viel beachteten Studien in den Fachmagazinen Nature und Science zeigten.

"Unsere Ergebnisse mit den organischen Substanzen waren ein großer Durchbruch", sagt Paul Winkler. In der Zwischenzeit sind weitere Einblicke in die Wolkenentstehung hinzugekommen: Mit seinem eigenen Partikelmessgerät, dem DMA Train (Differential Mobility Analyser), kann Winkler nun auch die kleinen Bausteine für die Wolkenbildung zwischen zwei und 20 Nanometer Größe charakterisieren und ihre Verteilung bestimmen.

So konnte Winkler mit seinem Team im Vorjahr nachweisen, dass die organischen Substanzen in verschiedenen Temperaturbereichen, von minus 25 bis plus 25 Grad Celsius, "eigentlich immer – global und temperaturunabhängig - einen entscheidenden Anteil am Teilchenwachstum" haben. Auch in kälteren Erdregionen könnten demnach Nanopartikel aus organischen Vorläufergasen entstehen, obwohl die chemischen Reaktionen dort deutlich verlangsamt ablaufen. Der Beitrag organischer Substanzen zu Wolkenbildungsprozessen könne folglich höher sein als angenommen.

Nanoteilchen müssen wachsen

"Die Teilchenneubildung wird weltweit beobachtet: Aus wenigen organischen Molekülen entsteht ein neues Cluster von 1 bis 2 Nanometer Größe. Wachsen sie auf 10 Nanometer an, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sie tatsächlich zu Aerosolen für die Wolkenkondensation werden – vorher droht, dass sie wieder verdampfen oder über das Andocken an große Aerosole aus dem System verschwinden", sagt Winkler.

Bei der Clusterbildung spielt die kosmische Strahlung auch eine Rolle: Der genaue Effekt ist Ziel von derzeitigen Untersuchungen im Rahmen von CLOUD. Noch seien nicht alle Details der Wolkenentstehung aus Nanoteilchen erhoben. Aber: "Wenn es uns gelingt, dass wir am Schluss alle Messungen auch zu einem großen Ganzen zusammensetzen können", so der Physiker, "dann haben wir vermutlich den weltweit besten Überblick über die Entstehungsbedingungen für Wolken." (ly)

  • Im Jahr 2016 erhoben die CLOUD-ForscherInnen, dass die Aerosol-Zusammensetzung in der vorindustriellen Zeit (als die anthropogenen Emissionen noch geringer waren und es damit auch weniger atmosphärische Schwefelsäure gab) ähnlich der Aerosolzusammensetzung von heute war. "Nachdem Aerosole unter dem Strich eher einen kühlenden Effekt auf das Klima haben, hat sich gezeigt, dass die anthropogenen Emissionen auf die Aerosolentstehung und damit auf die klimatische Entwicklung eher geringen Einfluss haben", sagt Paul Winkler.

Assoz. Prof. Dr. Winkler studierte Meteorologie an der Universität Wien und absolvierte sein Doktorat in Experimentalphysik. Er war Postdoc im Bereich Atmosphärenchemie am National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado und ist seit 2012 in der Aerosolphysik und Umweltphysik an der Universität Wien tätig. 2013 erhielt er für seine Aerosol-Nanoteilchenforschung einen ERC Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrates.

Nanoteilchen spielen bei der Wolkenbildung eine entscheidende Rolle. (© Pixabay.com)
Die CLOUD-Kammer des CERN mit diversen Messgeräten (© Sophia Brilke)
Paul Winkler in seinem Labor (Foto: H. Lackinger)