Klimamodelle verbessern Über die Wolken: Forschung zu Kondensationskeimen

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Wolken entstehen scheinbar aus dem Nichts. Doch selbst bei hoher Luftfeuchtigkeit brauchen sie Futter in Form so genannter Kondensationskeime. Welche Gase und Schwebstoffe hierfür relevant sind, haben Forscher in einer speziellen Klimakammer untersucht. Das bessere Verständnis der Wolkenbildung soll auch Klimamodelle verlässlicher machen.

1,5 bis 4,4 Grad Celsius globale Klimaerwärmung bis 2100 im Vergleich zur vorindustriellen Zeit – so lautet die aktuelle Prognose des Weltklimarates IPCC. Wobei auch diese Aussagen jeweils mit Unsicherheiten behaftet sind. So könnte der Temperaturanstieg im ungünstigsten Fall mit weiterhin stark ansteigenden Emissionen anstatt bei 4,4 Grad auch nur bei 3,3 oder aber sogar bei 5,7 Grad Celsius liegen.

Diese Unsicherheiten der Klimavorhersagen, wie sich die Temperatur bei konkreter Entwicklung der Treibhausgase verändern wird, liegen im Wesentlichen daran, dass die Wissenschaft noch nicht alle Vorgänge in der Atmosphäre im Detail verstanden hat – das Zusammenspiel der verschiedenen in ihr enthaltenen Gase und Schwebstoffe ist schlicht zu komplex.

Mysterium Wolkenbildung

Vor allem wie sich die Bedeckung mit Wolken in Zukunft entwickeln wird, bleibt bislang noch weitgehend nebulös. Sie ist jedoch ein wesentlicher Faktor für das Klima, da mehr Wolken mehr Sonnenstrahlung reflektieren und dadurch einen kühlenden Effekt auf die Erdoberfläche haben.

Um die Wassertröpfchen zu bilden, aus denen Wolken bestehen, braucht Wasserdampf feste oder flüssige Partikel, an denen er kondensieren kann. Diese so genannten Kondensationskeime sind komplexe Aerosole, winzig kleine, feste oder flüssige Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikrometern, die sowohl durch Prozesse in der Natur als auch durch uns Menschen verursacht und in die Luft emittiert werden. Diese Partikel können Salz aus dem Meer, Sand aus der Wüste, Schadstoffe aus Industrie und Verkehr oder Rußpartikel von Feuern enthalten.

Etwa die Hälfte der Kondensationskeime aber entsteht erst in der Luft, indem sich verschiedene gasförmige Moleküle verbinden und dabei in den festen Aggregatzustand übergehen, ein Phänomen, das Fachleute „Nukleation“ oder „New Particle Formation“ (NPF) nennen, also Partikelneubildung. Solche Partikel sind anfangs noch winzig, kaum größer als ein paar Nanometer, können mit der Zeit aber durch die Kondensation gasförmiger Moleküle wachsen und zu Kondensationskeimen werden.

Ein neuer Mechanismus der Wolkenkeimbildung

Das Rezept für Wolken: ein ätzendes Trio

Welche Gase sorgen für die Partikelneubildung?

Der Hauptteil der vom Menschen emittierten Gase, die zur Partikelneubildung beitragen, ist Schwefeldioxid in Form von Schwefelsäure, das vor allem aus der Verbrennung von Kohle und Öl stammt. Zu den wichtigsten natürlichen Gasen, die eine Rolle spielen, gehören so genannte Isoprene, Monoterpene und Sesquiterpene. Das sind Kohlenwasserstoffe, die vor allem von der Vegetation freigesetzt werden. Sie sind wesentliche Bestandteile der ätherischen Öle, die wir riechen, wenn zum Beispiel Gras geschnitten wird oder wir im Wald spazieren gehen. Wenn diese Substanzen in der Luft oxidieren, bilden sie Partikel.

„Zu beachten ist, dass die Konzentration des Schwefeldioxids in der Luft in den letzten Jahren durch strengere Umweltgesetze deutlich geringer geworden ist und auch weiterhin abnehmen wird“, sagt Lubna Dada, Atmosphärenwissenschaftlerin am PSI. „Die Konzentration der Terpene dagegen nimmt zu, weil Pflanzen unter Stress mehr davon freisetzen – beispielsweise wenn Temperaturen und Wetterextreme zunehmen und die Vegetation häufiger Dürren ausgesetzt ist.“ Die große Frage für die Verbesserung der Klimaprognosen ist also, welcher Faktor überwiegt – und damit, ob die Wolkenbildung zunehmen oder abnehmen wird. Dazu müsste man bei jeder dieser Substanzen wissen, welchen Beitrag sie bei der Partikelneubildung leistet.

Die sonderbaren Sesquiterpene

Zur Rolle von Schwefelsäureweiß bei der Wolkenbildung ist bereits viel bekannt, und auch der Effekt von Monoterpenen und Isopren ist dank Feldmessungen und Kammerversuchen wie Cloud inzwischen besser erforscht. Sesquiterpene befanden sich bislang jedoch noch nicht im Fokus der Forschung. „Das liegt daran, dass sie recht schwer zu messen sind“, erklärt Atmosphärenwissenschaftlerin Dada. „Zum einen, weil sie sehr schnell mit Ozon reagieren, und zum anderen, weil sie viel seltener vorkommen als die anderen.“

Während pro Jahr rund 465 Millionen Tonnen Isopren und 91 Millionen Tonnen Monoterpene ausgestoßen werden, kommen Sesquiterpene nur auf 24 Millionen Tonnen. Dennoch spielen diese Verbindungen bei der Wolkenbildung eine wichtige Rolle, wie eine aktuelle Studie zeigt, deren Hauptautorin Dada ist. Laut der Messungen bilden Sesquiterpene bei gleicher Konzentration zehnmal mehr Partikel als die anderen beiden organischen Substanzen. Sie haben also ein deutlich höheres Wolkenbildungspotenzial.

Klimaerwärmung

Wüstenstaub in der Atmosphäre kühlt die Erde

Atmosphärische Zeitreise vor die Industrialisierung

Für ihre Forschung hat Dada mit ihren Koautoren die Cloud-Kammer am Kernforschungszentrum Cern genutzt. Dabei handelt es sich um einen abgeschotteten Raum zur Simulation verschiedener atmosphärischer Bedingungen. „Mit fast 30 Kubikmetern ist diese Klimakammer im Vergleich zu anderen ähnlichen Einrichtungen weltweit die reinste ihrer Art“, sagt Dada. „So rein, dass sie die Untersuchung von Sesquiterpenen auch dann ermöglicht, wenn die geringe Konzentration in der Atmosphäre nachgestellt wird.“

Genau das war das Ziel der Studie: die biogene Partikelbildung in der Atmosphäre simulieren. Und zwar so, wie sie in vorindustrieller Zeit stattfand, als es noch keine menschlichen Schwefeldioxid-Emissionen gab. Im Vergleich zu heute lässt sich so der menschliche Einfluss klarer herausarbeiten und in die Zukunft projizieren. In der Natur ist das Schwefeldioxid des Menschen jedoch längst überall. Auch deswegen kam nur die Cloud-Kammer infrage. Zudem lässt sich dort unter kontrollierten Bedingungen eine vorindustrielle Mischung herstellen.

Klarere wolkige Aussichten

Bei den Versuchen in der Klimakammer zeigte sich, dass in reiner Luft die Oxidation einer natürlichen Mixtur von Isopren, Monoterpenen und Sesquiterpenen eine große Vielfalt von organischen Verbindungen produziert – so genannte ULVOC (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds). Diese Moleküle sind wenig flüchtig und bilden daher sehr effizient Partikel. Der enorme Effekt der Sesquiterpene offenbarte sich, als die Forschenden ihnen Isopren und Monoterpene hinzumischten: Schon bei nur zwei Prozent Zugabe verdoppelte sich die Rate der Partikelneubildung. „Erklären lässt sich das damit, dass ein Sesquiterpen-Molekül 15 Kohlenstoffatome enthält, während Monoterpene nur zehn und Isopren fünf enthalten“, sagt Dada.

Die Studie offenbart einerseits einen weiteren Faktor, mit dem die Vegetation Wetter und Klima beeinflussen kann. Vor allem aber schlagen die Forschenden aufgrund ihrer Ergebnisse vor, neben Isopren und Monoterpenen künftig auch die Sesquiterpene als eigenen Faktor in die Klimamodelle aufzunehmen, um die Prognosen zu verbessern. Zumal mit der Abnahme der Schwefeldioxid-Konzentration in der Atmosphäre und gleichzeitig steigenden biogenen Emissionen infolge von Klimastress die Rolle letzterer für das Klima der Zukunft immer wichtiger werden dürfte.

Allerdings sind für die weitere Verbesserung der Vorhersagen zur Wolkenbildung auch noch andere Studien notwendig. Diese sind am Labor für Atmosphärenchemie bereits in Planung, verrät Imad El Haddad, Gruppenleiter für Molekulare Prozesse in der Atmosphäre. „Als Nächstes wollen wir mit unseren Cloud-Partnern schauen, was damals im Zuge der Industrialisierung genau geschah, als die natürliche Atmosphäre zunehmend mit anthropogenen Gasen wie Schwefeldioxid, Ammoniak und anderen anthropogenen organischen Verbindungen vermischt wurde.“

Originalpublikation: Lubna Dada et al.: Role of sesquiterpenes in biogenic new particle formation, Science Advances, 08.09.2023, Vol 9, Issue 36; DOI: 10.1126/sciadv.adi5297

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