Atmosphärenforschung

Die Stoffe, die Wolken heller machen

Wolken bestehen aus winzigen Tröpfchen. Diese Tröpfchen bilden sich, wenn das Wasser an sogenannten Aerosolen kondensiert – an kleinen Partikeln in der Atmosphäre. Wie wiederum Aerosole entstehen, ist daher für das Verständnis der Wolkenhelligkeit und somit des Klimas und des Klimawandels von entscheidender Bedeutung.

Die PSI-Forschenden Jasmin Tröstl und Urs Baltensperger auf der CLOUD-Kammer am CERN, in der sie die Entstehung von Aerosolen in der Atmosphäre erforscht haben. (Foto: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

In einer Zusammenarbeit von Forschenden an der Universität Leeds, am CERN, am Paul Scherrer Institut PSI sowie an zahlreichen weiteren Instituten weltweit haben die Beteiligten nun eine umfassende Computersimulation auf der Grundlage detaillierter experimenteller Daten erstellt. Diese Simulation zeigt, dass neben Schwefelsäure noch zwei weitere Substanzen entscheidend an der Bildung von Aerosolen beteiligt sind: organische Verbindungen und Ammoniak. Die Forschungsergebnisse wurden nun im renommierten Fachblatt Science veröffentlicht.

Forschende haben erstmalig eine computergestützte Modellsimulation der Bildung von Partikeln in der Atmosphäre erstellt, die vollständig auf experimentellen Daten beruht. Diese Experimente wurden im Laufe vieler Jahre in einem besonderen, hochentwickelten Labor durchgeführt: der CLOUD-Kammer des CERN.

Die so fundierten Simulationen zeigen, dass atmosphärische Partikel – sogenannte Aerosole – aus Molekülclustern hervorgehen, die Schwefelsäure, organische Verbindungen und Ammoniak enthalten. Während die wichtige Rolle der Schwefelsäure für den Keimbildungsprozess, der zu Aerosolpartikeln führt, schon länger bekannt war, zeigen die neuen Forschungsergebnisse, dass auch organische Verbindungen und Ammoniak hierbei entscheidende Beiträge leisten.

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PSI-Forschende vor der CLOUD-Kammer am CERN. (Foto: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer)

„Es ist nicht nur Schwefelsäure: Auch organische Verbindungen und Ammoniak sind für die Keimbildung unerlässlich – wir können ihren Beitrag nicht länger ignorieren“, sagt Urs Baltensperger, Leiter des Labors für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut PSI und Mitautor der neuen Studie.

Während die innovative Computersimulation von Forschenden an der Universität Leeds geleitet wurde, waren Wissenschaftler am PSI maßgeblich an den CLOUD-Messungen beteiligt, die die Grundlage für diese Simulation bilden. Die PSI-Forschenden hatten auch veranlasst, dass organische Verbindungen in die Messungen einbezogen wurden. „Von Anfang an waren wir sicher, dass organische Verbindungen von großer Bedeutung sind, und hatten daher auf diesen Teil des gemeinsamen Projekts gedrängt“, erinnert sich Baltensperger.

Baltensperger und seine Mitarbeitenden am PSI trugen auch zu den Messungen von Ammoniak bei, indem sie eine Methode entwickelten, die die Bestimmung von Ammoniakkonzentrationen weit unterhalb der vorherigen Nachweisgrenze erlaubte. „Dies hat sich als sehr wichtig erwiesen: Unsere neuesten Ergebnisse zeigen, dass Ammoniakkonzentrationen, die vorher nicht einmal nachgewiesen werden konnten, die Keimbildungsrate deutlich erhöhen – unter gewissen Umständen auf das 100-fache des Werts, der bei Schwefelsäure alleine vorliegt!“

Eine weitere Erkenntnis, die die neue Computersimulation brachte, ist, dass durch kosmische Strahlung ausgelöste Ionisationsprozesse in der Atmosphäre für fast ein Drittel aller entstehenden Aerosolpartikel verantwortlich sind. Die Simulationen zeigen jedoch auch, dass geringe Variationen der kosmischen Strahlungsrate die Aerosolbildung nicht so stark ändern, dass dies einen merklichen Einfluss auf das heutige Klima hätte.

Das CLOUD-Experiment
Am CLOUD-Experiment des CERN beschäftigen sich Forschende mit einem anspruchsvollen und seit Langem bestehenden Problem der Atmosphärenforschung: der Frage, wie genau neue Partikel in der Atmosphäre entstehen und wie sich diese Aerosole auf das Klima auswirken. Luftverschmutzung erhöht die Konzentration von Aerosolen in der Atmosphäre, was zur Bildung zusätzlicher Wolkentröpfchen führt, somit zu helleren Wolken und damit wiederum zur Kühlung der Erde. Denn hellere Wolken reflektieren einen größeren Anteil der Sonnenstrahlen zurück in den Weltraum; es wird angenommen, dass dieser Mechanismus bislang einen beträchtlichen Teil der durch menschengemachte Treibhausgase verursachten Klimaerwärmung ausgeglichen hat.

Das Hauptziel des CLOUD-Experiments ist ein besseres Verständnis der Aerosolbildung in der Atmosphäre durch einen „Nukleation“ oder „Keimbildung“ genannten Prozess. Die Nukleation erfolgt, wenn sich bestimmte Moleküle in der Atmosphäre zusammenballen und so zu neuen Partikeln anwachsen. Nukleation ist für das Verständnis unseres Klimas relevant, da nach derzeitigen Schätzungen etwa die Hälfte aller Wolkentröpfchen auf so gebildete Aerosolpartikel zurückzuführen sind.

Am CLOUD-Experiment wird die Nukleation von Aerosolen in einer speziell konstruierten Kammer und unter stark kontrollierten Umgebungsbedingungen und Konzentrationen von Keimbildungsgasen vermessen. Hochmoderne Instrumente verfolgen die Partikelbildung von den ersten Molekülclustern bis zu Partikeln von etwa hundert Nanometern Durchmesser, die zur Bildung von Wolkentröpfchen führen können. Die CLOUD-Kammer weist extrem geringe Verunreinigungswerte auf. Das ermöglicht es den Forschenden, die Keimbildung durch kontrollierte Mengen von ausgewählten Gasen ohne die komplizierende Wirkung von nicht erkannten Gasen zu messen. Ein weiterer einzigartiger Aspekt von CLOUD ist die Möglichkeit, die Effekte von elektrisch geladenen Molekülen zu messen, die durch kosmische Strahlung entstehen.

CLOUD fördert unser Verständnis von Aerosolpartikeln in der Atmosphäre
Seit mehr als 30 Jahren entwickeln Forschende Computersimulationen der Atmosphärenchemie auf der Grundlage von Labormessungen der chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten. Diese Simulationen sind seit Langem entscheidend für unser Verständnisses der Atmosphäre, darunter für die Vorhersagen zur Luftverschmutzung und zur Zerstörung der Ozonschicht. Aufgrund der enormen Herausforderungen bei der zuverlässigen Messung der Partikelbildung im Labor war ein solch tiefgehendes Verständnis für Aerosolpartikel in der Atmosphäre vormalig nicht erreichbar.

Text: Auf Grundlage einer Mitteilung der Universität Leeds mit Ergänzungen durch das Paul Scherrer Institut.

Weiterführende Informationen:
„Heutige Messungen liefern Einsichten über Wolken in der Vergangenheit“ - http://psi.ch/Cmrm

Originalveröffentlichung:
Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements: E. M. Dunne et al. Science 27 Oktober 2016. DOI: 10.1126/science.aaf2649.

Kontakt/Ansprechpartner:
Prof. Dr. Urs Baltensperger
Leiter des Labors für Atmosphärenchemie
Paul Scherrer Institut
E-Mail: urs.baltensperger@psi.ch

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