Stoffe, die Wolken heller machen

Wolken bestehen aus winzigen Tröpfchen. Die Tröpfchen bilden sich, wenn Wasser an Aero­solen konden­siert – also an kleinen Partikeln in der Atmo­sphäre. Wie Aero­sole ent­stehen, ist daher für das Ver­ständ­nis der Wolken­hellig­keit, des Klimas und des Klima­wandels von entschei­dender Bedeu­tung. Ein inter­natio­nales Forscher­team hat jetzt erst­malig eine computer­ge­stützte Modell­simu­la­tion der Bildung von Parti­keln in der Atmo­sphäre erstellt, die voll­ständig auf experi­men­tellen Daten beruht. Die Experi­mente wurden im Laufe vieler Jahre in der CLOUD-Kammer des CERN durch­ge­führt.

Die Simulationen zeigen, dass Aerosole aus Molekülclustern hervor­gehen, die Schwefel­säure, orga­nische Verbin­dungen und Ammoniak ent­halten. Während die wichtige Rolle der Schwefel­säure für den Keim­bildungs­prozess, der zu Aero­sol­partikeln führt, schon länger bekannt war, zeigen die neuen For­schungs­­er­geb­­nisse, dass auch orga­nische Verbin­dungen und Ammoniak hier­bei entschei­dende Beiträge leisten.

Während die Computersimulation von Forschern der University of Leeds in Groß­bri­tannien geleitet wurde, waren Wissen­schaftler des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz maß­geb­lich an den CLOUD-Messungen beteiligt. Die PSI-Forscher hatten auch veran­lasst, dass orga­nische Verbin­dungen in die Messungen ein­be­zogen wurden. „Von Anfang an waren wir sicher, dass orga­nische Verbin­dungen von großer Bedeu­tung sind und hatten daher auf diesen Teil des Projekts gedrängt“, sagt Urs Balten­sperger vom PSI.

Baltensperger und seine Mitarbeiter am PSI trugen auch zu den Messungen von Ammoniak bei, indem sie eine Methode ent­wickelten, die die Be­stimmung von Ammoniak­konzen­tra­tionen weit unter­halb der vor­herigen Nach­weis­grenze er­laubte. Das erwies sich als wichtig: „Unsere neuesten Ergeb­nisse zeigen, dass Ammoniak­konzen­tra­tionen, die vorher nicht einmal nach­ge­wiesen werden konnten, die Keim­bildungs­rate deut­lich erhöhen – unter gewissen Um­ständen auf das Hundert­fache des Werts, der bei Schwefel­säure allein vor­liegt“, so Balten­sperger.

Eine weitere neue Erkenntnis ist, dass durch kosmische Strahlung ausge­löste Ioni­sations­pro­zesse in der Atmo­sphäre für fast ein Drittel aller ent­ste­henden Aero­sol­partikel verant­wort­lich sind. Die Simu­la­tionen zeigen jedoch auch, dass geringe Varia­tionen der kosmi­schen Strahlungs­rate die Aero­sol­bildung nicht so stark ändern, dass dies einen merk­lichen Ein­fluss auf das heutige Klima hätte.

Das Hauptziel des CLOUD-Experiments ist ein besseres Ver­ständ­nis der Aero­sol­bildung in der Atmo­sphäre durch einen Nuklea­tion oder Keim­bildung genannten Prozess. Am CLOUD-Experi­ment wird die Nuklea­tion von Aero­solen in einer speziell konstru­ierten Kammer und unter stark kontrol­lierten Umge­bungs­bedin­gungen und Konzen­tra­tionen von Keim­bildungs­gasen ver­messen. Hoch­moderne Instru­mente ver­folgen die Partikel­bildung von den ersten Molekül­clustern bis zu Partikeln von etwa hundert Nano­metern Durch­messer, die zur Bildung von Wolken­tröpf­chen führen können. Die CLOUD-Kammer weist extrem geringe Verun­reinigungs­werte auf. Das ermög­licht es, die Keim­bildung durch kontrol­lierte Mengen von ausge­wählten Gasen ohne die kompli­zie­rende Wirkung von nicht er­kannten Gasen zu messen. Ein weiterer einzig­artiger Aspekt von CLOUD ist die Möglich­keit, die Effekte von elek­trisch gela­denen Mole­külen zu messen, die durch kosmische Strahlung ent­stehen.

PSI / RK