Von Pol zu Pol: Eine Inventur der Atmosphäre

01.10.2018

Mit der vierten Umrundung unserer Erde ging im Frühjahr die globale Messkampagne „ATom“ zu Ende. Ihr Ziel ist es, die Luftverschmutzung und ihre möglichen Effekte für den Klimawandel zu erheben. In der NASA-Mission waren als einzige nicht-US-amerikanische Forschergruppe Bernadett Weinzierl und ihr Team von der Fakultät für Physik der Universität Wien vertreten. Nun arbeitet man mit Hochdruck an der Auswertung des einmaligen Datensatzes.

„Es ist schon sehr beeindruckend, über die Antarktis hinwegzugleiten und dabei unter sich die Weiten des ewigen Eises zu sehen.“ Selbst für Bernadett Weinzierl, die schon mehrere Dutzend Messflüge absolviert hat und einen Flugschein besitzt, war dies ein Erlebnis der besonderen Art. Bei keiner bisherigen Messkampagne drang die Aerosolphysikerin bis zum 87. Breitengrad auf der Südhalbkugel und damit jenseits des südlichen Polarkreises vor: „Daten aus dieser Region gibt es bisher kaum.“ Und das ist nur eine von vielen Besonderheiten der globalen Messkampagne ATom (Atmospheric Tomography Mission), bei der die ForscherInnen Proben der Erdatmosphäre sammelten, um die Luftverschmutzung zu analysieren.

Pro Erdumrundung legte die Crew in ihrem Messflugzeug rund 70.000 Kilometer zurück – verteilt auf mehr als ein Dutzend Messflüge pro Umlauf. Geflogen wurde in Höhen zwischen einigen hundert Metern und 14 Kilometern über der Erdoberfläche sowie in vier Jahreszeiten: im Sommer 2016, im Winter und Herbst 2017 und im Frühjahr 2018. Rund 280.000 Flugkilometer später liegt nun ein in Umfang und Beschaffenheit einzigartiger Datensatz der globalen Atmosphäre auf den Servern der NASA.

Die Physikerin Bernadett Weinzierl hat sich mit ihrer Gruppe auf die Analyse von großen Aerosolpartikeln (500 Nanometer bis 930 Mikrometer) konzentriert und lieferte ein Kernstück des Datensatzes. Den August verbrachte sie an der renommierten US-Universität Harvard, um in direktem Kontakt mit Projektleiter und Koordinator Steven C. Wofsy und anderen beteiligten Gruppen an der Auswertung der Ergebnisse zu arbeiten.

Verteilung der Aerosolpartikel

„Viele Personen haben mir vor den Flügen gesagt: Du wirst Stunden im Flieger hocken und nichts sehen“, erzählt die Forscherin. Was Weinzierl zu sehen hoffte, waren Hinweise auf natürliche wie auch anthropogen in die Atmosphäre eingebrachte, große Aerosolpartikel. „Das Faszinierende ist, dass wir entgegen jeglicher Erwartung eigentlich überall eher hohe Konzentrationen der Partikel gefunden haben – auch da, wo man sie nie erwartet hätte: zum Beispiel über dem Pazifik der Nordhalbkugel und in der Arktis, fernab von wichtigen Emissionsquellen wie den Wüsten oder industrieller Produktion.“

  • Verschmutzte Atmosphäre – Aerosolpartikel sind wenige Nanometer bis einige hundert Mikrometer groß und sehr unterschiedlich in ihrer Gestalt. Aerosole (Gemisch aus Aerosolpartikeln und einem Gas wie der Luft) beeinflussen das Klima, da sie in Wechselwirkung mit der Sonnenstrahlung treten und Wolken verändern können. Die Aerosolpartikel können über tausende Kilometer pro Woche durch die Atmosphäre transportiert werden. 

Ursprung großer Partikel fraglich

Ob Wüstenstaub, Vulkanasche, Ruß oder Luftverschmutzung aus Verkehr und Industrie: Milliarden Tonnen natürlicher wie auch vom Menschen verursachter Aerosolpartikel werden jährlich in die Atmosphäre abgegeben. Die kleinen Teilchen in der Luft können sowohl zur Abkühlung wie auch zur Erwärmung der Atmosphäre und unseres Klimas beitragen.

Bisher ging die Forschung davon aus, dass große Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von über einem Mikrometer vor allem natürlichen Ursprungs sind und z.B. als Seesalze die unteren Atmosphärenschichten über den Ozeanen oder etwa als Wüstenstaub auch höhere Schichten über dem Atlantik oder Afrika prägen, während kleinere Partikel im Bereich von wenigen Nanometern typischerweise anthropogenen Ursprungs sind.

Weinzierl will die neuen Daten nutzen, um die Auswirkungen natürlicher und anthropogener Emissionen besser zu verstehen und zudem auch die Eigenschaften der Wolken auf der Süd- und Nordhalbkugel zu untersuchen. Große Partikel, insbesondere Mineralstaub, unterstützen auch die Eisbildung in Wolken, was wiederum Klimaeffekte haben kann.

CAPS liefert Daten

Die Physikerin wurde zur Teilnahme an der Mission ATom eingeladen: Über ihre bereits 2006 begonnenen diversen Messkampagnen und Analysen von Wüstenstaub galt Weinzierl bereits international als „Staubexpertin“: „Wir haben auch im Zuge unserer Forschung mit einem Gerätehersteller ein Instrument – ein Aerosol-Wolken-Spektrometer - weiterentwickelt, welches sehr zuverlässig Daten zu Aerosolkonzentrationen erhebt. Zudem haben wir einen Algorithmus geschrieben, mit Hilfe dessen wir automatisiert unsere Daten sofort nach dem Start für jede Sekunde dahingehend auswerten können, ob wir gerade durch klare oder sehr feuchte Luft fliegen und ob wir uns in einer Wasser- oder Eiswolke befinden oder in einer sogenannten Mischphasenwolke.“

Das ist für Weinzierls Analysen zu mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften sehr wichtig - wie auch zur Untersuchung, wie Aerosolpartikel die Eigenschaften von Wolken verändern und ob es Unterschiede in den Wolkeneigenschaften auf der Nord- und Südhalbkugel gibt.

Auch andere beteiligte Gruppen haben von den Daten der Wiener „CAPS“ (Cloud, Aerosol and Precipitation Spectrometer) an Bord des NASA-Messflugzeuges profitiert: Die automatisierte Wolkenerkennung hilft etwa, die Daten der chemischen Messungen zu interpretieren.

Die CAPS waren bei allen vier Erdumrundungen an der Unterseite des rechten Tragflügels angebracht und hielten zur Freude der ForscherInnen auch den extremen Temperaturunterschieden von 40 Grad plus (in den Tropen) bis hin zu minus 70 Grad (an den Polen) stand.

"Nahezu alles gemessen, was man messen kann"

„Mit allen beteiligten Gruppen und ihren Messgeräten, die an Bord waren, kann man sicherlich sagen, dass nahezu alles, was man messen kann, gemessen wurde“, so Bernadett Weinzierl. Insgesamt seien Daten zu rund 350 verschiedenen chemischen Stoffen und zu den verschiedensten Aerosolpartikeln zwischen 2 Nanometern bis 1 Millimeter Durchmesser erhoben worden. Weinzierls großes Ziel ist es nun, besser zu verstehen, woher die großen Partikel kommen und was ihre Wirkung ist. [ly]

Blick auf das ewige Eis der Antarktis: Die ForscherInnen brachen auf, um die Atmosphäre zu beproben. (Copyright: Bernadett Weinzierl)
Rund um die Welt – von Palmdale (Kalifornien) Richtung Nordpol, zurück nach Alaska über Hawaii und Amerikanisch-Samoa bzw. Fiji nach Neuseeland, Richtung Antarktis, zurück nach Chile, Ascension Island, die Azoren und Grönland wieder nach Palmdale: Bei zwei von vier Erdumrundungen drang das NASA-Messflugzeug bis zum 87. Breitengrad auf der Südhalbkugel vor. (Grafik: Tom Ryerson, NOAA)
Das „Cloud, Aerosol and Precipitation Spectrometer” (CAPS) vermisst Aerosolpartikel, Wassertropfen und Eiskristalle zwischen 500 Nanometer und knapp einem Millimeter Größe (Copyright: Bernadett Weinzierl)
Die Messkampagne ATom ist nun beendet. (Copyright: Bernadett Weinzierl)
Aerosolphysikerin Bernadett Weinzierl hat auch selbst einen Flugschein. (Copyright: DLR)