Eiskeime in der Atmosphäre der Antarktis Zuckersüße Wolkenbildung über dem Meer

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Wer die Wolken versteht, versteht auch das Wetter. Doch Modelle zur Wolkenbildung funktionieren nicht für alle Regionen gleich gut. Besonders bei der sehr sauberen Luft über der Südhalbkugel rund um die Antarktis weichen die Modelle oft stark ab. Nun haben Forscher gezeigt, wie Zuckermoleküle aus dem Meerwasser als Eiskeime fungieren und die Wolkenbildung in fernen Meeresregionen maßgeblich beeinflussen.

Eisbildungsprozesse beeinflussen die Strahlungseigenschaften, die Niederschlagsbildung und folglich die Lebensdauer von Wolken. Die Eisbildung wird durch so genannte eiskeimbildende Partikel ermöglicht, kurz INPs für Ice Nucleating Particles. Während es für viele Regionen bereits gute Modelle zur Wolkenbildung gibt, können aktuelle Klimamodelle können die Wolken über dem Südlichen Ozean rund um die Antarktis nur unzureichend wiedergeben. Ein wichtiger Schritt, diese Lücke zu füllen, ist jetzt einem internationalen Team gelungen: Die Forschenden konnten nachweisen, dass der überwiegende Teil an Eiskeimen in der Atmosphäre dort auf Zuckerverbindungen von marinen Mikroorganismen aus dem Meerwasser zurückgeht.

Fluoreszenz-Lidar-Technik verbessert Analyse von Wolken und Aerosolen

Die Suche nach dem unsichtbaren Rauch am Himmel

Dass eisbildende Makromoleküle, die von marinen Mikroorganismen wie Pilzen, Einzellern oder Hefen im Meerwasser produziert werden, über die Gischt in die Atmosphäre gelangen, ist bereits seit über einem Jahrzehnt bekannt. Doch es fehlte bisher an Wissen über die chemische Identität dieser eisbildenden Makromoleküle aus marinen Quellen. Diesem Rätsel sind die Wissenschaftler nun nachgegangen. „Während der Polarstern-Expedition PS106 2017 hatten wir bei Proben in der Arktis erhöhte Glukose-Konzentrationen beobachtet und daraus geschlossen, dass diese Glukose ein Indikator für Eiskeime im Meerwasser sein kann“, erklärt Dr. Sebastian Zeppenfeld vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung Tropos. „Der Einfachzucker Glukose ist ein Abbauprodukt von Mehrfachzuckern. Für uns lag daher nah, dass Mehrfachzucker das fehlende Puzzleteil sein könnten.“

Mehrfachzucker aus marinen Pilzen kurbeln die Wolkenbildung an

Der Oberflächenfilm der Ozeane trennt das Meerwasser von der darüberliegenden Atmosphäre wie ein dünnes Tuch. In dieser Grenzschicht lebt ein eigener Kosmos an Mikroorganismen wie Bakterien, Algen, marine Kieselalgen, Haloarchaea, Viren, Hefen oder Pilze. Neben Algen und Bakterien, die in erster Linie zur Produktion und zum Abbau von Biomasse beitragen, rücken nun auch marine Pilze ins wissenschaftliche Interesse. Da ihre potenzielle Rolle als Eiskeime noch weitgehend unerforscht war, nahmen die Forschenden diese Mikroorganismen besonders unter die Lupe.

„In dieser Studie untersuchten wir die Eiskeimbildung von marinen Polysacchariden, die aus marinen Pilzen und Einzeller stammen, sowie von kommerziell erhältlichen Standardpolysacchariden“, berichtet Dr. Susan Hartmann vom Tropos. Sie hat die Eiskeimbildung im Labor mithilfe des Tröpfchengefriertests INDA (Ice Nucleation Droplet Array) untersucht. Im Ergebnis entstand eine Datensammlung, die angibt, wieviel Eiskeime bei welchen Temperaturen durch welche Bestandteile in den Wolkentropfen gebildet werden.

Temperaturzonen der Wolkenbildung

Die jetzt veröffentlichten Daten sind die ersten zu Einzellern und Pilzen aus dem Meerwasser, die die besagten Mehrfachzucker produzieren und die Eisbildung katalysieren. Dass die marine Biologie in großer Zahl Eiskeime in der Atmosphäre bereitstellt, war schon bekannt. Mit der neuen Studie haben die Forscher nun gezeigt, dass die Mehrfachzucker die Gesamtanzahl biologischer Eiskeime zwischen etwa -15 und -20 °C erklären.

Aus verschiedensten anderen Studien ergibt sich zusammen mit den neuen Daten ein differenziertes Bild, welche Komponenten in der unbelasteten Atmosphäre der hohen Breiten der Südhemisphäre für Eis in den Wolkentropfen sorgen:

• In warmen Wolken unter -2 °C sind das hauptsächlich Proteine,

• in mittelkalten Wolken unter -10 °C sind das vor allem die jetzt nachgewiesenen Mehrfachzucker

• und erst in sehr kalten Wolken unter -20 °C dominiert der bekannte Mineralstaub.

Da jedoch ausgedehnte Mineralstaubquellen (z.B. Wüsten) in der Südhemisphäre Mangelware sind, ist die Bedeutung von Mineralstaub für die Eisbildung in der sehr sauberen Luft über den Meeren rund um die Antarktis viel geringer als in der Nordhemisphäre.

Die Mischphasenwolken mit Flüssigwasser und Eis befinden sich meist im Temperaturbereich zwischen -15 und -20 °C, also genau in dem Bereich, wo die Mehrfachzucker zu den wichtigsten Eiskeimen zählen. „Wir konnten in unseren Simulationen zeigen, dass bei -15 bis -16 °C die Mehrfachzucker über gigantischen Flächen der Ozeane in der sauberen Südhemisphäre die wohl bedeutendsten Eiskeime sind, d.h. sie tragen mehr zur Eisbildung bei als der Mineralstaub der Wüsten, der normalerweise in Klimamodellen als Eiskeim angenommen wird. Das ist eine neue und für die Klimamodelle wichtige Erkenntnis“, fasst Dr. Roland Schrödner vom Tropos zusammen, der die Daten mithilfe des globalen Atmosphärenchemietransportmodell TM5 ausgewertet hat. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung biologischer Quellen für die Niederschlagsbildung in abgelegenen Meeresregionen.

Jahrelange Forschungsarbeit trägt Früchte

Die Studie baut auf jahrelangen Vorarbeiten dreier Gruppen am Tropos auf: Die „Mikrophysik“ untersucht seit langem die Eisbildung in Wolkentropfen, die „Atmosphärische Modellierung“ erforscht den Einfluss verschiedenster Partikelarten auf das Klima und die „Atmosphärenchemie“ analysiert die chemische Zusammensetzung. Die Konzentrationen an Mehrfachzucker in der Atmosphäre hatten die Forschenden zuvor bei verschiedenen Expeditionen gemessen, so u.a. während der spanischen Antarktis-Expedition PI-ICE, der deutschen Arktis-Expedition PascalL/PS106, der Kampagne Mar-Par-Cloud im tropischen Atlantik oder durch Messungen auf Spitzbergen in der Arktis. Erst durch das Zusammenführen dieser Arbeiten wurden diese neuen Erkenntnisse möglich.

Aus Sicht der Forschenden unterstreicht diese Studie, wie wichtig natürliche biologische Bestandteile in der Atmosphäre sind und dass Biosphäre und Atmosphäre im Erdsystem eng gekoppelt sind. Wenn die ambitionierten Klimaschutzziele vieler Länder in den nächsten Jahrzehnten greifen, werden die vom Menschen verursachten Emissionen voraussichtlich abnehmen und natürliche Aerosolpartikel werden für die Wolkenmikrophysik noch wichtiger.

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Weitere Aerosolforschung am Boden und in der Luft geplant

Wolken in einer sauberen Umgebung, d.h. mit einer niedrigen Tröpfchenzahl, reagieren empfindlicher auf Schwankungen der Aerosolzahlkonzentration. Die saubere Südhemisphäre rund die Antarktis ist deshalb für die Wolkenforschung besonders spannend: Die Mission „Halo-South“ des deutschen Forschungsflugzeugs Halo wird von Juli bis Oktober 2025 von Neuseeland aus unter Tropos-Leitung das Zusammenspiel von Wolken, Aerosolen und Strahlung über dem Südlichen Ozean genauer untersuchen.

Die Messungen in der Luft werden ergänzt durch Messungen am Boden. Während der Messkampagne „go South-2“ werden Forschende von Tropos und Universität Leipzig zusammen mit Partnern die Wolken des Südlichen Ozeans erforschen. Dazu wird die mobile Aerosol- und Wolkenfernerkundungsanlage Lacros von September 2025 bis März 2027 bei Invercargill an der Südspitze Neuseelands im Einsatz sein. Die Wolken in der weniger vom Menschen beeinflussten Südhemisphäre halten noch einige Geheimnisse bereit, die die Forschenden aus Leipzig in den nächsten Jahren lüften wollen.

Publikationen:

Schrödner, R., Hartmann, S., Hassett, B., Hartmann, M., van Pinxteren, M., Fomba, K. W., Stratmann, F., Herrmann, H., Pöhlker, M., and Zeppenfeld, S.: Polysaccharides - Important Constituents of Ice Nucleating Particles of Marine Origin, Vortrag auf EGU25, EGU General Assembly 2025, Vienna, Austria, 27 Apr–2 May 2025, EGU25-15357; DOI: 10.5194/egusphere-egu25-15357, 2025.

Susan Hartmann, Roland Schrödner, Brandon T. Hassett, Markus Hartmann, Manuela van Pinxteren, Khanneh Wadinga Fomba, Frank Stratmann, Hartmut Herrmann, Mira Pöhlker, and Sebastian Zeppenfeld: Polysaccharides─Important Constituents of Ice-Nucleating Particles of Marine Origin, Environmental Science & Technology, Vol 59/Issue 10, 5098-5108. DOI: 10.1021/acs.est.4c08014 (Published March 7, 2025), DOI: 10.1021/acs.est.4c08014

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