Zucker aus dem salzigen Ozean

Salz und Zucker aus dem Meer können bis in die freie Troposphäre aufsteigen und damit sowohl die Wolkenbildung als auch das Klima in der Arktis beeinflussen. Das geht aus Ballon-Messungen hervor, die ein Team von Forschenden im Herbst 2021 und Frühjahr 2022 auf Spitzbergen durchgeführt hat. Mit einer zunehmend eisfreien Arktis könnten immer mehr dieser Wolkenzutaten aus dem Meerwasser in die Atmosphäre gelangen und das Strahlungsbudget beeinflussen. Die neuen Erkenntnisse tragen daher zu einem verbesserten Verständnis der komplexen Wechselwirkungen bei, die zu einer überdurchschnittlichen Erwärmung der Arktis führen.

Die zentrale Arktis ist ein Ozean, der im Winter mit Meereis bedeckt ist und im Sommer mit immer mehr offenen Wasserflächen. Entsprechend spielen Partikel aus Meeresgischt-Aerosol (SSA) eine Schlüsselrolle für das Klima hier, weil sie eine wichtige Quelle für die Wolkenbildung in dieser Region sind. Mit der zunehmenden Erwärmung und dem zurückgehenden Meereis wird die Bedeutung dieser Partikel aus dem Meer noch weiter steigen. Diese Partikel gelangen durch brechende Wellen und platzenden Luftblasen aus dem Meerwasser in die Luft darüber. Unter bestimmten meteorologischen Bedingungen können diese Partikel weiter in der Atmosphäre aufsteigen. Sie bestehen aus anorganischen Meersalz-Ionen wie Natrium und Chlorid zusammen mit organischem Material, das aus dem Oberflächenfilm und dem darunter liegenden Meerwasser stammt. Zum organischen Material gehören auch marine Kohlenhydrate. Die meisten dieser zuckerartigen Verbindungen sind komplexe, stark verzweigte Polysaccharide, die von Algen und Bakterien gebildet und freigesetzt werden. 2025 lieferte eine TROPOS-Studie mit Labor- und Felddaten Hinweise darauf, dass die Eiskeimbildungsaktivität von Meeresgischt-Partikeln wesentlich durch die enthaltenen Polysaccharide beeinflusst wird. Modellsimulationen zeigten, dass die Eiskeimbildungsaktivität mariner Mehrfachzucker insbesondere im Temperaturbereich zwischen -20 und -15 °C in abgelegenen Ozeanregionen von Bedeutung ist, in denen der Beitrag terrestrischer Eiskeimpartikel minimal ist oder ganz fehlt. Eiskeimende Aerosolpartikel fördern die Eisbildung in Wolken und beeinflussen damit deren Strahlungseigenschaften und die Niederschlagsbildung.

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Von Ballistik zu Diffusion

Obwohl die Bedeutung dieser Zucker aus dem Meerwasser in der Forschung inzwischen anerkannt ist, fehlt es bisher noch an Messungen, die die Verbreitung in den höheren Lagen der Atmosphäre tatsächlich belegen. Neben Schiffsmessungen auf Meereshöhe gab es bisher nur wenige Messungen auf Berggipfeln und ver­tikal-aufge­lös­te Messungen mit mobilen Plattformen fehlten bisher ganz. Dadurch blieb unklar, wie groß der Einfluss der marinen Zucker auf die Atmosphäre tatsächlich ist. Diese Lücke haben nun deutsche Polarforschende geschlossen: Im Herbst 2021 und Frühjahr 2022 nahmen sie Luftproben in Höhen von dreihundert bis tausend Meter bei Ny-Ålesund auf Spitzbergen, der nördlichsten dauerhaft bewohnten Siedlung der Erde. Die Filterproben wurden später in den Laboren des TROPOS zusammen mit Proben aus dem Meereswasser und Oberflächenfilm des Ozeans des Kongsfjorden bei Ny-Åle­sund analysiert. Die Kombination der Aerosolmessungen am Boden und in verschiedenen Höhen mit den Wasserproben aus dem Kongsfjorden hat uns erstmals ermöglicht, den Transport mariner Zucker vom Ozean in die Atmosphäre direkt nachzuvollziehen“, erläutert Dr. Manuela van Pinxteren vom TROPOS, die gemeinsam mit Sebastian Zeppenfeld die Aerosol- und Wassermessungen der Expedition verantwortete. Die Luftproben sammelte der Fesselballon BELUGA vom TROPOS. Im Juli 2020 war der zwölf Meter lange und neunzig Kubikmeter große Helium-Ballon bereits bei der MOSAiC-Expe­di­tion zu Einsatz gekommen, bei der der deutsche Forschungseisbrecher Polarstern des Al­fred-Wegener-Ins­ti­tuts ein Jahr lang durch die zentrale Arktis driftete.

Darüber hinaus deuten aktuelle Labor- und Feldbeobachtungen darauf hin, dass es in der Atmosphäre zu einer molekularen Umwandlung oder einer zusätzlichen Bildung dieser Zucker kommt, die durch chemische and biologische Aktivitäten in der Atmosphäre ausgelöst wird. „Unter sehr feuchten Bedingungen, insbesondere bei Wolken mit Niederschlag, wurde konnten wir auch hier die Bildung dieser Zucker direkt in der Atmosphäre beobachten, die möglicherweise mit dem Stoffwechsel von Mikroorganismen in der Luft zusammenhängt. Das sind erste Hinweise, dass die Zucker in der Atmosphäre nicht nur aus dem Meer stammen, sondern auch durch biologische Prozesse in den Wolken selber entstehen könnten. Zusammen mit dem Nachweis ihres vertikalen Transports zeigt das, dass marine organische Stoffe eine deutlich dynamischere Rolle im Klimasystem der Arktis spielen als bisher angenommen. Die Atmosphäre ist also viel lebendiger als wir lange dachten“, schlussfolgert Zeppenfeld. 

Die Tatsache, dass diese Zucker in für die Wolkenbildung relevante Höhen transportiert werden, hat Auswirkungen auf die Wolkenmikrophysik. Und mit der Erwärmung der Arktis und dem Rückgang des Meereises wird die Bedeutung der Zucker aus dem Meer noch weiter steigen. Da es aus der Antarktis bisher noch keine vergleichbaren Messungen gibt, will das BELUGA-Team die Polarstern-Expeditionen 2028 im Rahmen von Ant­arc­tica-Insync nutzen, um auch Daten aus dem Südpolarmeer zu sammeln. Wolken und Wolkenwasser sind auch Teil der Begleitausstellung zum Panorama „Antarktis“ des Künstlers Yadegar Asisi im Leipziger Panometer, die TROPOS wissenschaftlich beraten und dafür ein Exponat beigesteuert hat. Am 19.09.2026 gibt es dazu dort eine Sonderführung „Zwischen Eis und Him­mel – Das Geheimnis der antarktischen Wolken“. [TROPOS / dre]