Bildung von Eiskeimen aus Gasen

Dass Aerosolpartikel auch aus Gasen entstehen können, ist lange bekannt. Jetzt ist es erst­mals gelungen, die Bildung von Eis­keimen direkt aus einem Gas im Labor­exper­iment nach­zu­weisen. Die Experi­mente dazu fanden an der CLOUD-Kammer am CERN unter Führung von Karoliina Ignatius vom Leibniz-Institut für Tropo­sphären­forschung TROPOS statt. Eis­keime beein­flussen die Eis­bildung in Wolken, welche wiederum der erste wichtige Schritt in der Ent­stehung von Nieder­schlägen in der Atmo­sphäre ist. Das als Eis­keim­vor­läufer verwendete Alpha-Pinen-Gas wird in großen Mengen auf natür­liche Weise durch Wälder gebildet. Die beob­achteten Effekte werfen auf­grund des häufigen Auf­tretens orga­nischer Sub­stanzen in atmo­sphä­rischen Aero­sol­par­tikeln ein neues Licht auf die atmo­sphä­rische Eis­bildung. Sie sollten daher künftig auch in globalen Klima­modellen berück­sich­tigt werden, so die Forscher.

Mischphasenwolken im Höhenbereich zwischen zweitausend und sechs­tausend Metern bestehen aus flüs­sigen unter­kühlten Wasser­tropfen und Eis­par­tikeln. In Misch­phasen­wolken kommt speziell den Eis­par­tikeln eine große Bedeutung zu. Sie spielen einer­seits im Klima­system der Erde eine wichtige Rolle, weil sie Sonnen- und Wärme­strahlen anders reflek­tieren als flüs­siges Wasser. Anderer­seits ist die Entstehung von Eis auch der mit Abstand wichtigste Prozess zur Bildung von Nieder­schlag, bei dem nach wie vor viele Fragen offen sind. Ent­sprechend zählt die Vor­her­sage von Nieder­schlägen immer noch zu den größten Unsicher­heiten bei der Wetter­prognose. Mit Modellen, Feld­messungen und Labor­ver­suchen versuchen Wissen­schaftler daher, die Eis­bildung in Wolken besser zu verstehen. Dazu gehören zum Beispiel die Anzahl, Größe, Varia­bi­lität, chemische Zusammen­setzung, Ober­fläche und weitere physi­ka­lisch-chemischen Eigen­schaften der atmo­sphä­rischen Eis­keime und Eis­partikel.

Damit es auf der Erde regnen kann, müssen Wolkentropfen ausreichend groß und schwer sein, sodass sie aus der Wolke heraus­fallen können. Damit Wolken­tropfen eine entspre­chende Größe und Gewicht erreichen können müssen sie zunächst gefrieren. Die homo­gene Eis­bildung, also das selbst­ständige Gefrieren unter­kühlter Wasser­tropfen, läuft in der Erd­atmo­sphäre erst bei Tempe­ra­turen unter -38 Grad Celsius ab. Sind an dem Gefrier­prozess der Wolken­tropfen dagegen Eis­keime beteiligt, wird dieser Gefrier­punkt deut­lich nach oben verschoben. Die Eis­keim­eigen­schaften von verschie­denen Mineral­stäuben, Aschen und von bio­genen Eis­keimen stehen daher im Zentrum von Akti­vi­täten am TROPOS. So wurde beispiels­weise im Wolken­labor des TROPOS in Leipzig der eis­bildende Protein­komplex eines Bakte­riums getrennt vom Bakte­rium selbst unter­sucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der Protein­komplex unab­hängig von seinem ursprüng­lichen Träger und in Mischungen mit minera­lischen Partikeln weiter­hin das Gefrieren von Wolken­tropfen hervor­rufen kann. „Dies hat unser Bild hinsich­tlich der Wichtig­keit bio­lo­gischer Partikel in der atmo­sphä­rischen Eis­bildung beträcht­lich verändert“, sagt Frank Strat­mann, der Leiter des TROPOS-Wolken­labors.
Nach Mineralstaub- und biologischen Partikeln rücken nun auch aus organ­ischen Vor­läufer­gasen gebil­dete Partikel in den Fokus der Wolken­forschung. Im Rahmen der neuen Studie wurden sekun­däre orga­nische Aero­sol­partikel unter­sucht. Erzeugt wurden diese Partikel durch die Ozono­lyse von Alpha-Pinen bei vier verschie­denen Tempe­ra­turen, die typisch für Prozesse in der freien Tropo­sphäre sind. Dabei wurde mit Hilfe von UV-Licht die Bildung von Ozon und Hydroxyl-Radi­kalen ange­regt und es formten sich Partikel, die unter weiterer Zugabe von Alpha-Pinen und Ozon auf Größen von etwa sieben­hundert Nano­metern an­wuchsen. Die Fähig­keit dieser SOA-Partikel oder einzelner chemischer Kompo­nenten dieser Partikel, als Eis­keime zu wirken, konnte mit einem Spektro­meter für Eis­keime nach­ge­wiesen werden.

Mit Hilfe des globalen Aerosolmodells GLOMAP konnte das Team anschlie­ßend die Aus­wirkungen auf die Atmo­sphäre ab­schätzen. Dabei zeigte sich, dass die aus dem Gas Alpha-Pinen gebildeten SOA-Partikel tat­säch­lich zur Eis­bildung in Wolken bei­tragen könnten – nicht nur über den bore­alen Nadel­wälder der Nord­hemi­sphäre, sondern auch über den Regen­wäldern der Tropen. Dort können sie sogar zur Bildung der von Zirrus­wolken in größeren Höhen bei­tragen. „Es ist wahr­schein­lich, dass ein Teil der aus bio­genen Vor­läufer­gasen gebil­deten Partikel und Sub­stanzen in der Atmo­sphäre Mischungen mit Sulfaten oder anderen Partikel­materi­alien wie Mineral­staub bildet. Dadurch verän­dert sich ihre Wirkung als Eis­keim, was es schwer macht, die Wirkung im Detail abzu­schätzen“, erklärt Ignatius.

„Bis heute werden Partikel aus biogenen Vorläufergasen als Eis­keime in den Klima­modellen nicht berück­sichtigt. Das ist eines von vielen Bei­spielen, die zeigen, weshalb auch im jüngsten Bericht des Welt­klima­rats IPCC der Ein­fluss von Aero­sol­partikeln und Wolken immer noch zurecht als der größte Unsicher­heits­faktor in allen Klima­modellen einge­stuft wird“, unter­streicht Strat­mann. Doch die neue Studie zeige: Nicht nur mine­ra­lische oder bio­lo­gische Partikel können großen Ein­fluss auf das Gefrieren von Wolken und damit auf Wetter und Klima haben. Auch Partikel aus bio­genen Vor­läufer­gasen wie Alpha-Pinen spielen eine Rolle in diesen komplexen Prozessen.

TROPOS / RK