Wissenschafter enträtselten erste Schritte der Wolkenbildung

Für die Entstehung einer Wolke sind Kondensationskeime notwendig, fanden Forscher der Unis Innsbruck und Wien heraus. Wie sich diese winzigen Partikel (Aerosole) in der Atmosphäre neu bilden, ist aber noch weitgehend unverstanden.

(Symbolfoto)
© Zangerl

Wien, Innsbruck – Einen der entscheidenden ersten Schritte bei der Bildung einer Wolke haben Wissenschafter im Rahmen des internationalen Experiments CLOUD enträtselt. Für die Entstehung einer Wolke sind Kondensationskeime notwendig. Wie sich diese winzigen Partikel (Aerosole) in der Atmosphäre neu bilden, ist aber noch weitgehend unverstanden. Die Forscher, darunter Wissenschafter der Unis Wien und Innsbruck, konnten nun die Bildung von Aerosolen im Labor reproduzieren und auf molekularer Ebene verstehen, berichten sie in den Fachjournalen „Nature“ und „PNAS“.

Wasserdampf kondensiert nicht einfach zu Tröpfchen, aus denen sich Wolken bilden. Es braucht dafür winzige Teilchen (Aerosole), an denen sich die Wassermoleküle anlagern können. Neben natürlichen Aerosolen wie Seesalz oder Sandstaub gibt es auch Teilchen, die durch Menschen in die Atmosphäre gelangen bzw. dort erst neu gebildet werden. Der erste Schritt zu einer Wolke beginnt also damit, dass sich Moleküle zu einem Cluster zusammenklumpen. Welche Moleküle dabei eine Rolle spielen und was dabei auf molekularer Ebene passiert, wusste man bisher aber nicht genau.

Aerosole bilden Kondensationskeime für Hälfte aller Wolkentröpfchen

Es wird angenommen, dass diese neu gebildeten Aerosole die Kondensationskeime für rund die Hälfte aller Wolkentröpfchen bilden. Daran zeigt sich die hohe Klimarelevanz der Aerosole. Denn sie wirken kühlend und damit der Erderwärmung entgegen, indem sie das Sonnenlicht reflektieren und für Wolkenbildung sorgen.

Mit dem Experiment CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) am Kernforschungszentrum CERN in Genf (Schweiz) steht den Forschern ein 26 Kubikmeter großer Edelstahltank zur Verfügung, in dem sie die Bildung von Aerosolpartikeln und Wolken untersuchen können. Unter bisher unerreichten, extrem präzise kontrollierbaren Bedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Konzentrationen verschiedener Stoffe, Licht und selbst kosmischer Strahlung können die in der Atmosphäre herrschenden Bedingungen nachgebildete werden.

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Amine sind wichtig für die Aerosolbildung

In der in „Nature“ veröffentlichten Arbeit, konnten die Wissenschafter erstmals nachweisen, wie wichtig selbst geringste Mengen sogenannter Amine für die Aerosolbildung ist. Dabei handelt es sich um eng mit Ammoniak verwandte Stoffe, im konkret untersuchten Fall Dimethylamin (C2H7N), die mit Schwefelsäuremolekülen (H2SO4) besonders starke Bindungen eingehen, wie Armin Hansel vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Uni Innsbruck im Gespräch mit der APA erklärte.

Dabei reichen schon kleinste Amin- und Schwefelsäure-Mengen aus. Bei einer Konzentration von ein bis drei Amin-Molekülen in einer Billion Luftmolekülen bilden sich bereits 1000 Mal mehr neue Partikel, als wenn Ammoniak und Schwefelsäure Cluster bilden würden - ein Prozess, den die Wissenschafter vor zwei Jahren in „Nature“ beschrieben haben. Die in der Messkammer beobachteten Bildungsraten von Partikeln entsprechen jenen, die man in der Atmosphäre beobachtet hat.

Das ist insofern besonders relevant, als Amine vor allem durch menschliche Aktivitäten, etwa in der Viehzucht oder Verbrennung von Biomasse, entstehen. Da Amine sehr kurzlebig sind, dürften sie vor allem in der Nähe ihrer Entstehungsquellen eine Rolle spielen, sagte Hansel. Das könnte erklären, warum die Neubildung von Aerosolen sehr häufig in der bodennahen Atmosphäre beobachtet wird. Für Paul Wagner von der Fakultät für Physik der Universität Wien deuten die Resultate darauf hin, dass „natürliche und durch menschliche Aktivitäten hervorgerufene Quellen von Aminen das Klima beeinflussen könnten“.

Falls sich die sogenannte Amin-Gaswäsche zu einer dominanten Technologie für die CO2-Abscheidung bei Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen entwickelt, könnten die anthropogenen Amin-Emissionen in Zukunft weiter ansteigen. „Eine Ausbreitung von Aminen in nicht verunreinigte Gebiete könnte zu einer Erzeugung neuer Partikel in der Atmosphäre führen und zum kühlenden Einfluss von Partikeln auf das Klima beitragen“, so Wagner. (APA)


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