Wie entstehen Wolken?

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Dieser Frage gehen Wiener Physikern nach. Ihnen ist es erstmals gelungen, die Kondensation an Aerosolpartikeln im Nanobereich sichtbar zu machen.

Aerosolpartikel – ein Gemisch aus festen und/oder flüssigen Schwebeteilchen und Luft – spielen beim Klimawandel eine wichtige Rolle. Da sie für die Wolkenbildung verantwortlich sind, würde es ohne sie keine Wolken und damit keinen Wasserkreislauf geben. Ist die Atmosphäre mit Wasserdampf übersättigt, kondensiert dieser Wasserdampf an Aerosolpartikeln, bildet Tröpfchen und in der Folge Wolken. Die Kondensation von Wasserdampf findet jedoch nur an ganz bestimmten Aerosolpartikeln statt.

Dem Aerosolphysiker Paul Wagner und seinem Team ist nun insofern ein Durchbruch gelungen, als dass sie erstmals in Modellexperimenten die Kondensation an Aerosolpartikeln im Nanobereich sichtbar machen konnten. „Im Bereich von einem Nanometer bestehen die Aerosolpartikel aus Molekül-Clustern“, so Paul Wagner. „Da wir die Partikel in ihren einzelnen Bestandteilen sehen, können wir nun beobachten, wie Wolkenkondensationskerne entstehen.“ Das Forschungsteam kann also entschlüsseln, welche Kriterien Aerosolpartikel zu erfüllen haben, damit sich Wolken bilden. Wie machen sie das?

In der Expansionskammer wird zuerst eine mit einem organischen Dampf gesättigte Atmosphäre erzeugt, dann werden Nanopartikel, also Aerosolpartikel in Nanometergröße, eingebracht. Innerhalb von wenigen Millisekunden wird durch Expansion Dampfübersättigung erzeugt. Mithilfe eines Lasers werden nun jene Teilchen sichtbar, an denen sich Tröpfchen bilden und in der Folge Wolkenkondensationskerne heranwachsen. „Dieser Vorgang mag recht simpel klingen, dahinter steckt aber unglaublich viel Arbeit. Allein die Entwicklung der Expansionskammer dauerte Jahre“, so Wagner.

Die Experimente in der Kammer lieferten die Grundlage einer im Fachmagazin Science veröffentlichten Arbeit. Die Messungen belegen, dass sich Dampfmoleküle schon an Partikel im unteren Nanobereich anlagern und diese als Wolkenkondensationskerne aktivieren. „Die Bildung von Kondensationskernen haben wir bei unterschiedlichen Sättigungsgraden dokumentiert. Diese Daten werden KlimaforscherInnen helfen, die Wolkenbildung besser zu verstehen“, sagt Paul Wagner.

An der „Science“-Publikation sind insgesamt neun ExpertInnen der Aerosolforschung aus Österreich, Finnland und Estland beteiligt. „Die Veröffentlichung in ‚Science' ist ein Höhepunkt unserer langjährigen, intensiven Zusammenarbeit“, erklärt Paul Wagner, Projektleiter des Teams der Universität Wien. Wagner arbeitet schon seit über 20 Jahren mit dem finnischen Aerosolexperten Markku Kulmala zusammen.“ Der Schwerpunkt der Forschungen an der Universität Wien lag im experimentellen Bereich. „Alle Versuche wurden an der Universität Wien durchgeführt“, so Wagner. „Dafür haben wir eine hier entwickelte Expansionskammer und eine neue Generation von Aerosolklassifikatoren eingesetzt.“

Quelle: Universität Wien

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Paul M. Winkler, Gerhard Steiner, Aron Vrtala, Hanna Vehkamäki, Madis Noppel, Kari E. J. Lehtinen, Georg P. Reischl, Paul E. Wagner, Markku Kulmala, Heterogeneous Nucleation Experiments Bridging the Scale from Molecular Ion Clusters to Nanoparticles, Science 319, 1374 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1149034
• Aerosol-, Bio- und Umweltphysik, Universität Wien:
  http://aerosols.univie.ac.at
• Universität Wien:
  http://www.univie.ac.at