Wie Kiefernwälder zur Wolkenbildung beitragen

20. Mai 2014, 09:46
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Wissenschafter konnten am CERN die allerersten Schritte im Prozess der Wolkenbildung klären

Innsbruck/Wien - Inwiefern Wolken das Klima tatsächlich beeinflussen, steht nach wie vor nicht fest. Vielleicht auch deshalb, weil viele Details der Wolkenbildung noch ungeklärt sind. Seit Jahren beteiligen sich österreichische Wissenschafter an dem internationalen CLOUD-Experiment am CERN in Genf, um den Wolkenentstehungsprozess zu analysieren. Nun fanden sie heraus, dass die Emissionen von Kiefernwäldern eine Art "Klebstoff" für die Bildung von Wolkenkondensationskernen liefern und Ionen zur Stabilisierung beitragen. Die neuen Ergebnisse erscheinen aktuell im Fachmagazin "Science".

Entscheidende Kondensationskeime

Im letzten Bericht des "Intergovernmental Panel on Climate Change" (IPCC) wurde darauf hingewiesen, dass in heutigen Klimamodellen Wolken nach wie vor der größte Unsicherheitsfaktor sind. Einer der Gründe dafür ist der komplexe und nur teilweise geklärte Prozess der Wolkenbildung.

Diesen erforschen Wissenschafter mit dem Experiment CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) in Genf. Dort steht ihnen ein 26 Kubikmeter großer Edelstahltank zur Verfügung, in dem die Bildung von Aerosolpartikeln und Wolken untersucht werden können. Dabei können Wolkenbildungs-Experimente präzise durchgeführt und die Zugabe von Chemikalien genau gemessen werden. Auch Parameter wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit können verändert werden.

Wasserdampf kondensiert nicht einfach zu Tröpfchen, aus denen sich Wolken bilden. Es braucht dafür winzige Teilchen (Aerosole), an denen sich die Wassermoleküle anlagern können, sogenannte Kondensationskeime. Neben natürlichen Aerosolen wie Seesalz oder Sandstaub gibt es auch Teilchen, die durch Menschen in die Atmosphäre gelangen (etwa Ruß) bzw. dort erst gebildet werden.

Emittierte Kohlenwasserstoffe

Bei der Neubildung von Aerosolen müssen sich Moleküle zusammenklumpen und einen Cluster bilden. Diese Umwandlung von Gasen in feste oder flüssige Partikel - von den Wissenschaftern Nukleation genannt - ist der erste Schritt bei der Entstehung der meisten Wolken, und mit vielen offenen Fragen verbunden: So weiß man nicht genau, welche Moleküle dabei eine Rolle spielen und was dabei auf molekularer Ebene passiert.

Klar war bisher, dass Schwefelsäure eine wichtige Rolle spielt. Die Nukleationsrate, also die Schnelligkeit, mit der neue Partikel in der Atmosphäre gebildet werden, hängt von ihrer Konzentration ab. Doch die Säure dürfte nur ein Teil des Puzzles sein und Schwefelsäuremoleküle einen zusätzlichen Klebstoff benötigen, damit die Cluster zusammenhalten.

Bereits im Vorjahr fanden die CLOUD-Forscher heraus, dass mit Ammoniak verwandte Stoffe (Amine), die vor allem durch menschliche Aktivitäten entstehen, mit Schwefelsäure sehr effizient Kondensationskeime bilden. Der Österreicher Siegfried Schobesberger von der Universität Helsinki zeigte zudem, dass ein Oxidationsprodukt sogenannter Monoterpene - dabei handelt es sich um Kohlenwasserstoffe, die von Pflanzen, vor allem von Nadelbäumen emittiert werden - gemeinsam mit Schwefelsäuremolekülen ebenfalls Molekülcluster bildet, die sich als Kondensationskeime eignen.

Stabile Molekülcluster

Schobesberger wirkte auch an der aktuellen Studie mit, ebenso u.a. Armin Hansel vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Uni Innsbruck und Paul Wagner von der Gruppe Aerosolphysik und Umweltphysik der Universität Wien. Sie konnten beobachten, dass Cluster von Schwefelsäuremolekülen stabiler und somit größer werden und schließlich neue Partikel bilden, wenn andere hochoxidierte organische Moleküle eingebaut sind.

"Es handelt sich um einen ganzen Zoo unterschiedlicher hochoxidierter Moleküle", sagt Wagner. Sie werden in der Atmosphäre aus alpha-Pinen gebildet, einem der Moleküle, die Pinienwäldern ihren typischen Duft verleihen und von Bäumen vor allem in der warmen Jahreszeit emittiert werden.

Ihre Rolle bei der Wollenbildung konnten die Wissenschafter sowohl experimentell durch massenspektrometrische Messungen als auch theoretisch durch quantenmechanische Berechnungen aufzeigen. Zudem haben sie nachgewiesen, dass auch geladene Moleküle (Ionen) von Schwefelsäure und den Oxiden, die in der Atmosphäre durch die kosmische Strahlung entstehen, unter bestimmten Bedingungen wesentlich zur Bildung neuer Partikel beitragen.

Prognostizierbare Nukleationsraten

Die Forscher haben den neu entdeckten Mechanismus auch in ein globales Modell der Aerosolbildung eingebaut. Sobald die stabilisierende Wirkung der organischen Oxide berücksichtigt wird, kann das Modell die gemessenen Nukleationsraten genauer vorhersagen, auch deren saisonale Schwankungen.

Studienleiter Urs Baltensperger vom Paul Scherrer Institut in Villigen (Schweiz) betont, dass die so gebildeten Partikel noch bis zu einer Größe von 50 bis 100 Nanometer heranwachsen müssen, um tatsächlich Wolkenkeime bilden zu können. Mit dieser Wachstumsphase haben sich die Wissenschafter noch nicht befasst. Angesichts der riesigen Fläche der borealen Nadelwälder in den nördlichen Zonen ist diese Art der Neubildung von Aerosolen jedenfalls ein maßgeblicher Faktor für die Wolkenbildung - und damit auch für das Klima. (APA/red, derStandard.at, 20.5.2014)

  • Die Ausdünstungen von Kiefernwäldern liefern wichtige Komponenten für die Wolkenentstehung.
    foto: apa/pleul

    Die Ausdünstungen von Kiefernwäldern liefern wichtige Komponenten für die Wolkenentstehung.

  • Die CLOUD-Kammer am CERN erlaubt präzise Wolkenbildungs-Experimente unter Steuerung zahlreicher Parameter.
    foto: paul winkler

    Die CLOUD-Kammer am CERN erlaubt präzise Wolkenbildungs-Experimente unter Steuerung zahlreicher Parameter.

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