Wolken können organisches Material produzieren

Aerosolpartikel besitzen nach einem Wolkendurchgang eine etwas veränderte chemische Zusammensetzung

Aerosolpartikel wachsen durch Wasseraufnahme und bilden Wolkentröpfchen, Wolken und auch Niederschlag. Wolken verändern aber auch die chemische Zusammensetzung von Partikeln. Was dabei genau passiert, ist jedoch zum Teil immer noch unbekannt. Eine internationale Messkampagne unter Leitung des IfT will einen Teil dieser Wissenslücken nun schließen.

Organische Partikel davor und danach

Wolken entstehen nicht nur aus organischen Partikeln, sie können auch selbst organisches Material produzieren. Das hat ein internationales Forscherteam während einer großen Messkampagne im Thüringer Wald erstmals direkt beobachtet, berichten Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (IfT) auf der Internationalen Konferenz zu Wolken und Niederschlag (ICCP 2012) in Leipzig. Dazu hatten die Forscher organische Partikel vor und nach dem Entstehen der Wolken chemisch untersucht.

Die chemische Untersuchung von Wolken direkt vor Ort ist ein großes Problem, weil es schwierig ist, komplexe Messsyteme direkt in die Wolke zu transportieren - und selbst dann sind solche Messungen meist nur eine Momentaufnahme.

Im Thüringer Wald rund um die Schmücke gingen die Wissenschaftler daher umgekehrt vor: Sie transportierten die Messtechnik nicht zu den Wolken, sondern bauten sie an drei unterschiedlichen Stellen auf - also vor, auf und hinter dem Gebirgskamm. Anschließend werteten sie nur jene Wolken aus, bei denen die Luft die drei Stationen passiert hatte. So war es möglich, Physik und Chemie vor, während und nach der Wolkenbildung intensiv zu untersuchen.

Veränderte chemische Zusammensetzung

"Mit Hilfe von massenspektrometrischen Messverfahren zur Partikelcharakterisierung konnte im Feld beobachtet werden, dass Aerosolpartikel nach einem Wolkendurchgang eine etwas veränderte chemische Zusammensetzung besitzen", brichtet Dr. Dominik van Pinxteren vom IfT. "Zumindest bei einigen Wolkenereignissen produziert die Wolke Sulfat aus Schwefeldioxid. Erstmals konnten wir auch direkte Hinweise darauf finden,dass organisches Material aus organischen Vorläuferverbindungen gebildet wird. Die genauen Bedingungen, unter denen diese Prozesse stattfinden, werden momentan noch untersucht."

Und noch einen Effekt beobachteten die Wissenschaftler: Partikel, aus denen bereits ein Wolkentropfen geworden ist, werden später schneller wieder zu Wolkentropfen. Denn Wolken verändern die Eigenschaften von Partikeln. Nach einem Wolkendurchgang sind Partikel hygroskoper, d.h. sie nehmen leichter Wasser auf und bilden in folgenden Wolkenbildungsprozessen leichter neue Wolkentropfen. Dies wurde mit Messgeräten im Feld direkt beobachtet und steht sehr wahrscheinlich im Zusammenhang mit der veränderten chemischen Zusammensetzung der Partikel.

Kampagne der Wolkenforschung

An der Kampagne "Hill-Cap Cloud Thuringia 2010 (HCCT-2010)" hatten insgesamt rund 50 Wolkenforscher aus Deutschland, Frankreich, England und den USA teilgenommen. Ziel war es, mit speziellen Messmethoden die Veränderungen von Aerosolpartikeln bei der Aktivierung zu einer Wolke und innerhalb einer Wolke zu untersuchen.

Während dieser Prozesse laufen in allen Partikeln eine Vielzahl von chemischen Reaktionen ab, deren Produkte durch geeignete Messmethoden nachgewiesen werden können. Veränderungen der chemischen Zusammensetzung führen zu Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Partikel, die durch die Experimente besser verstanden werden sollen.

Während der sechswöchigen Kampagne im Herbst 2010 wurde während insgesamt 370 Stunden je eine Wolke an der Gipfelstation registriert. Anhand meteorologischer Analysen wurden 51 Wolkenstunden ermittelt, während derer durch Vergleich der drei Messstationen ein Einfluss der Wolke auf das lokale Aerosol untersucht werden kann.

Komplexe höherskalige Modelle in Entwicklung

Der umfangreiche Datensatz wird derzeit ausgewertet und dient als Grundlage für eine mikrophysikalische und chemische Modellierung einzelner Zeitabschnitte. Erste Ergebnisse werden Schritt für Schritt publiziert. Die Ergebnissen sollen später in komplexe höherskalige Modelle integriert werden, um die Wirkung von Aerosolen und Wolken im Erdsystem besser beschreiben zu können.

Aerosole und Wolken beeinflussen die Chemie der Atmosphäre, können die Luftqualität verändern, haben über die Strahlungseigenschaften Auswirkungen auf das globale Klima und steuern den Niederschlag. (red, 4.8.2012)