Eiskeime lassen Wassertröpfchen in Wolken gefrieren
Wolkenlabor untersucht Eisbildung – mineralische und biologische Partikel beeinflussen Wetter und Klima.
Mineralische und biologische Partikel bringen Wolkentropfen zum Gefrieren, sie wirken als Eiskeime. Das zeigen Versuche im Leipziger Wolkenlabor des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS). Von allen untersuchten Mineralstaubpartikeln ist Mikroklin, ein häufig vorkommendes Mineral aus der Gruppe der Feldspate, am eisaktivsten. Aber auch biologische Partikel wie zum Beispiel Teile von Pollen und Bakterien fördern die Vereisung von Wolkentröpfchen, wie die Versuche zeigen.
Abb.: Der Wolkensimulator LACIS in Leipzig.(Bild: T. Arnhold, TROPOS)
In gemäßigten Breiten spielen Eiskristalle in mittelhohen Wolken zwischen 2000 und 6000m eine große Rolle. Diese Mischphasenwolken bestehen sowohl aus unterkühlten Wassertröpfchen als auch aus Eiskristallen. Eiskristalle sind im Klimasystem der Erde von Bedeutung, da sie Sonnen- und Wärmestrahlen anders streuen als flüssiges Wasser. Die Entstehung von Eis ist zudem ein sehr wichtiger Schritt bei der Bildung von Niederschlägen. Hinsichtlich der Eisbildung in Wolken und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nach wie vor viele Fragen offen. Mit Modellen, Feldmessungen und Laborversuchen versuchen Wissenschaftler daher, diese Fragen zu klären. Dazu gehören auch zum Beispiel Häufigkeit, Größe, Natur (mineralisch, organisch, biologisch), sowie weitere physikalisch-chemischen Eigenschaften der atmosphärischen Eiskeime.
Die homogene Eisbildung, also das selbstständige Gefrieren eines unterkühlten Wassertröpfchens ohne die Zuhilfenahme eines Eiskeimes, läuft in der Erdatmosphäre erst bei Temperaturen unter -38 Grad Celsius ab. Ist an dem Prozess dagegen ein Aerosolpartikel beteiligt, dann verschiebt sich dieser Gefrierpunkt deutlich nach oben. Eine solche heterogene Eisbildung konnten die Forscher im Labor bereits bei Temperaturen ab -5 Grad Celsius beobachten. Allerdings ist die Bandbreite groß: Während manche vom Erdboden aufgewirbelte Mineralstäube die Gefriertemperatur kaum beeinflussen, lässt Mikroklin das Wasser bereits ab -23 Grad Celsius gefrieren. Vermutlich spielt hier die Gitterstruktur auf der Oberfläche des Minerals eine wichtige Rolle.
Noch besser funktionieren allerdings Pollen oder Bakterien als Eiskeime: Mit diesen konnte die Wissenschaftler im Leipziger Wolkensimulator das Gefrieren von Wassertropfen bereits ab -18 bzw. -8 Grad Celsius beobachten. Seit einiger Zeit laufen dort auch Experimente zum Immersionsgefrieren. Dabei löst ein Eiskeim, der sich innerhalb eines unterkühlten Tropfens befindet, das Gefrieren aus. Im Gegensatz dazu wird beim Kontaktgefrieren dieser Prozess von außen initiiert, indem ein unterkühlter Tropfen mit einem geeigneten Eiskeim kollidiert.
Die Eiskeim-Eigenschaften von verschiedenen Mineralstäuben, Vulkanasche und von biogenen Eiskeimen stehen im Zentrum der DFG-Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research Unit), die von der Goethe-Universität Frankfurt am Main koordiniert wird. Die Untersuchungen im Leipziger Wolkenlabor LACIS sind Teil einer Reihe von Versuchen in verschiedenen Laboren und Feldexperimenten, die seit 2011 laufen. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen und der daraus abgeleiteten neuen Parametrisierungen fließen später in Modelle ein, um die Beschreibung der Wolken und die Prozesse darin besser simulieren zu können. Auch der jüngste Bericht des Weltklimarates IPCC benennt den Einfluss von Aerosolpartikeln und Wolken immer noch als größten Unsicherheitsfaktor aller Klimamodelle.
TROPOS / RK
