Laser erzeugen Kondensationskeime für Regentropfen

Wenn Forscher mit Lasern in den Himmel schießen, wollten sie bisher über reflektierte Signale vor allem die Zusammensetzung der Atmosphäre untersuchen. Zusätzlich zu diesem Lidar-Verfahren können mit kurzen Laserblitzen aber auch chemische Prozesse in feuchten Luftschichten initiiert werden. So gelang es nun deutschen und Schweizer Physikern, innerhalb von Laserstrahlen verstärkt Kondensationskeime für Regentropfen zu erzeugen. Mit ihrem Versuchsaufbau analysierten sie, wie sich Wasserdampf in der Luft mit Lasern kondensieren ließ. Ihre Studie legt die Grundlagen für das kontrollierte Erzeugen von Regen mithilfe von Laserstrahlen. So könnte diese Methode in Zukunft eine umweltfreundliche Alternative zu der heute genutzten Regen verursachenden Impfung von Wolken mit Silberiodid-Partikeln bieten.

"Die Stabilisierung von Partikeln mit HNO₃ spielt eine substanzielle Rolle bei der mit Lasern induzierten Kondensation", berichten Jerome Kasparian von der Université de Genève und seine Kollegen von der Freien Universität Berlin. Für ihre Experimente fuhren die Forscher vom Winter 2009 bis zum Frühjahr 2010 mit ihrem "Teramobile" an das Ufer der Rhône bei Genf. An Bord des Forschungsfahrzeugs befand sich ein leistungsfähiger Terawatt-Laser, der etwa zehnmal pro Sekunde extrem kurze Laserpulse im nahen Infrarot-Bereich (800 nm, 350 mJ, 240 fs) in den Himmel aussenden konnte. Bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten bestimmten die Forscher die Bildung von Kondensationskeimen entlang der Laserstrahlen. An diese können sich weitere Wassermoleküle anlagern und schließlich Regentropfen bilden.

Entlang des Laserstrahls bildete sich ein Plasma aus ionisierten Teilchen. Damit der Prozess nicht durch Luftströmungen gestört werden konnte, schirmten sie den Analysebereich mit einem Windschutz ab. Mit Gassensoren und einem Aerosol-Spektrometer bestimmten sie die Zusammensetzung der Luft und die Konzentration an Partikeln verschiedener Größe. Angeregt durch die Laserpulse ballten sich Gas- und Wassermoleküle zu größeren Teilchen zusammen. Schon bei einer relativen Luftfeuchte von 75 Prozent vervielfachte sich die Anzahl von Nanopartikeln von etwa 25 Nanometer Größe um den Faktor 3 bis 6. Dabei lagerten sich bevorzugt Wasser- und Nitratmoleküle zusammen. In der Luft enthaltene Stickoxide (NO₂) bildeten dabei die Quelle für das Nitrat. Schnell konnten weitere Moleküle an diese Kondensationskeime andocken und zu einzelnen Tröpfchen mit Durchmessern von einigen Millionstel Metern heranwachsen. Bei einer höheren Luftfeuchte von bis zu 100 Prozent änderte sich das Kondensationsverhalten und immer größere Kondensationskeime bis zu Durchmessern im Mikrometerbereich entstanden.

Frühere Analysen von Kondensationskeimen in Wolken zeigten auch, dass Sulfat-Partikel ebenfalls die Bildung von Regen unterstützen können. Doch den Einfluss dieser Moleküle analysierten die Forscher bisher nicht im Detail. Als Regenmacher eigneten sich diese Versuche bisher noch nicht, da mit einem einzigen Laser nur lokal sehr begrenzt Wasserdampf kondensiert werden konnte. Doch zeigen die Messungen, dass Laserstrahlen prinzipiell die Bildung von Niederschlag unterstützen könnten. Wieviele Laser dafür nötig wären, haben die Forscher noch nicht abgeschätzt. Doch hoffen sie, dass diese Methode die Impfung von Wolken mit Silberiodid oder anderen Salzen in Zukunft ersetzen könnte.

Schon vor wenigen Jahren hatten die "Teramobile"-Forscher bereits gezeigt, dass ihre gen Himmel gerichteten Laserstrahlen sogar als mobile Blitzableiter wirken. Sie konnten mehrere Meter lange Plasmakanäle in der Luft erzeugen, durch die die elektrischen Ladungen der Blitze bevorzugt zum Boden gelangten.

Jan Oliver Löfken

PH