Wichtiger Prozess für Regen und Schnee erstmals im Labor nachgewiesen

Leipzig, 03.08.2016

CLOUD-Team gelingt Bildung von Eiskeimen aus Gasen

Genf/Leipzig. Dass Aerosolpartikel auch aus Gasen entstehen können, ist lange bekannt. Jetzt ist es erstmals auch gelungen, die Bildung von so genannten Eiskeimen direkt aus einem Gas im Laborexperiment nachzuweisen. Die Experimente dazu fanden an der CLOUD-Kammer am CERN unter Führung einer Wissenschaftlerin des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) statt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), einem Open-Access-Journal der European Geoscience Union (EGU), veröffentlicht. Eiskeime beeinflussen die Eisbildung in Wolken, welche wiederum der erste wichtige Schritt in der Entstehung von Niederschlägen in der Atmosphäre ist. Das als Eiskeimvorläufer verwendete Alpha-Pinen-Gas wird in großen Mengen natürlich durch Wälder gebildet. Die beobachteten Effekte verändern aufgrund des häufigen Auftretens organischer Substanzen in atmosphärischen Aerosolpartikeln unsere Sichtweise der atmosphärischen Eisbildung. Sie sollten daher künftig auch in globalen Klimamodellen berücksichtigt werden, so die Studie. Dem CLOUD-Konsortium, an dem insgesamt 21 Institute beteiligt sind, gelang damit ein weiterer wichtiger Nachweis.

Mischphasenwolken, d.h. mittelhohe Wolken im Höhenbereich zwischen ca. 2000 und 6000 Metern, bestehen aus flüssigen unterkühlten Wassertropfen und Eispartikeln, d.h. gefrorenen Tropfen. In Mischphasenwolken kommt speziell den Eispartikeln eine große Bedeutung zu. Sie spielen einerseits im Klimasystem der Erde eine wichtige Rolle, weil sie Sonnen- und Wärmestrahlen anders reflektieren als flüssiges Wasser. Andererseits ist die Entstehung von Eis auch der mit Abstand wichtigste Prozess zur Bildung von Niederschlag, bei dem nach wie vor viele Fragen offen sind. Entsprechend zählt die Vorhersage von Niederschlägen immer noch zu den größten Unsicherheiten bei der Wetterprognose. Mit Modellen, Feldmessungen und Laborversuchen versucht die Wissenschaft daher, die Eisbildung in Wolken besser zu verstehen. Dazu gehören zum Beispiel die Anzahl, Größe, Variabilität, chemische Zusammensetzung, Oberfläche und weitere physikalisch-chemischen Eigenschaften der atmosphärischen Eiskeime und Eispartikel.
Damit es auf der Erde regnen kann, müssen Wolkentropfen ausreichend groß und schwer sein, sodass sie aus der Wolke herausfallen können. Damit Wolkentropfen eine entsprechende Größe und Gewicht erreichen können müssen sie zunächst gefrieren. Die homogene Eisbildung, also das selbstständige Gefrieren unterkühlter Wassertropfen, läuft in der Erdatmosphäre erst bei Temperaturen unter -38 Grad Celsius ab. Sind an dem Gefrierprozess der Wolkentropfen dagegen Eiskeime (z.B. Aerosolpartikel) beteiligt, wird dieser Gefrierpunkt deutlich nach oben verschoben. Die Eiskeimeigenschaften von verschiedenen Mineralstäuben, Aschen und von biogenen Eiskeimen stehen daher im Zentrum von Aktivitäten am TROPOS (u.a. im Rahmen der von der Goethe-Universität Frankfurt am Main koordinierten DFG-Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research Unit)). So wurde beispielsweise im Wolkenlabor des TROPOS in Leipzig der Eis-bildende Proteinkomplex eines Bakteriums getrennt vom Bakterium selbst untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der Proteinkomplex unabhängig von seinem ursprünglichen Träger und in Mischungen mit mineralischen Partikeln weiterhin das Gefrieren von Wolkentropfen hervorrufen kann. „Dies hat unser Bild hinsichtlich der Wichtigkeit biologischer Partikel in der atmosphärischen Eisbildung beträchtlich verändert“, sagt Dr. Frank Stratmann.
Nach Mineralstaub- und biologischen Partikeln rücken nun auch aus organischen Vorläufergasen gebildete Partikel in den Fokus der Wolkenforschung. Im Rahmen der jetzt veröffentlichen Studie wurden so genannte sekundäre organische Aerosolpartikel (SOA-Partikel) in der CLOUD-Kammer am CERN in Genf während des Experiments CLOUD9 im Oktober/November 2014 untersucht. Erzeugt wurden diese Partikel durch die Ozonolyse von Alpha-Pinen bei vier verschiedenen Temperaturen, die typisch für Prozesse in der freien Troposphäre sind: -10, -20, -20 und -38° Celsius. Dabei wurde mit Hilfe von UV-Licht die Bildung von Ozon und Hydroxyl-Radikalen angeregt und es formten sich Partikel, die unter weiterer Zugabe von Alpha-Pinen und Ozon auf Größen von etwa 700 Nanometer anwuchsen. Die Fähigkeit dieser SOA-Partikel bzw. einzelner chemischer Komponenten dieser Partikel, als Eiskeime zu wirken, konnte mit einem sogenannten Spektrometer für Eiskeime (SPIN), einem neuartigen im Rahmen des CLOUD-12-Projektes vom BMBF finanzierten Messgerätes, nachgewiesen werden.
Mit Hilfe des globalen Aerosolmodells GLOMAP konnte das internationale Team anschließend die Auswirkungen auf die Atmosphäre abschätzen. Dabei zeigte sich, dass die aus dem Gas Alpha-Pinen gebildeten SOA-Partikel tatsächlich zur Eisbildung in Wolken beitragen könnten – nicht nur über den borealen Nadelwälder der Nordhemisphäre, sondern auch über den Regenwäldern der Tropen. Dort können sie offenbar sogar zur Bildung der von Zirruswolken in größeren Höhen, d.h. oberhalb von sieben Kilometern, beitragen. „Es ist wahrscheinlich, dass ein Teil der aus biogenen Vorläufergasen gebildeten Partikel bzw. Substanzen in der Atmosphäre Mischungen mit Sulfaten oder anderen Partikelmaterialien wie Mineralstaub bildet. Dadurch verändert sich ihre Wirkung als Eiskeim, was es schwer macht, die Wirkung im Detail abzuschätzen“, erklärt Karoliina Ignatius vom TROPOS, die die Arbeiten in Genf durchgeführt hat.
„Bis heute sind Partikel aus biogenen Vorläufergase als Eiskeime in den Klimamodellen nicht berücksichtigt. Das ist eines von vielen Beispielen, die zeigen, weshalb auch im jüngsten Bericht des Weltklimarates IPCC der Einfluss von Aerosolpartikeln und Wolken immer noch zurecht als der größte Unsicherheitsfaktor in allen Klimamodellen eingestuft wird“, unterstreicht Dr. Frank Stratmann, Leiter des TROPOS-Wolkenlabors. Dabei ist seit dieser Studie klar: Nicht nur mineralische oder biologische Partikel können großen Einfluss auf das Gefrieren von Wolken und damit auf Wetter und Klima haben. Auch Partikel aus biogenen Vorläufergasen wie Alpha-Pinen spielen ebenfalls eine Rolle in diesen komplexen Prozessen. Tilo Arnhold

Publikation:
Karoliina Ignatius, Thomas B. Kristensen, Emma Järvinen, Leonid Nichman, Claudia Fuchs, Hamish Gordon, Paul Herenz, Christopher R. Hoyle, Jonathan Duplissy, Sarvesh Garimella, Antonio Dias, Carla Frege, Niko Höppel, Jasmin Tröstl, RobertWagner, Chao Yan, Antonio Amorim, Urs Baltensperger, Joachim Curtius, Neil M. Donahue, Martin W. Gallagher, Jasper Kirkby, Markku Kulmala, Ottmar Möhler, Harald Saathoff, Martin Schnaiter, Antonio Tomé, Annele Virtanen, DouglasWorsnop, and Frank Stratmann (2016): Heterogeneous ice nucleation of viscous secondary organic aerosol produced from ozonolysis of Alpha-pinene. Atmos. Chem. Phys., 16, 6495–6509, 27 May 2016. doi:10.5194/acp-16-6495-2016.
http://www.atmos-chem-phys.net/16/6495/2016/
Die Untersuchungen wurden gefördert durch Europäische Union (Marie Curie Initial Training Networks MC-ITN CLOUD-TRAIN), das Bundesministerium für Bildung und Forschung Deutschlands (BMBF-Projekt CLOUD-12), den Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNSF), NordForsk (Nordic Centre of Excellence „Cryosphere-Atmosphere Interactions in a Changing Arctic Climate“/CRAICC), die National Science Foundation der USA (NSF), die Akademie Finnlands und den Europäischen Forschungsrat (ERC).

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 88 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Grundlagenforschung, unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Institute pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen, der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die 88 Institute der Leibniz-Gemeinschaft, an denen rund 18.100 Personen beschäftigt sind; darunter 9.200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 1,64 Milliarden Euro. http://www.leibniz-gemeinschaft.de

Dem CLOUD-Team am CERN ist erstmals die Bildung von Eiskeimen aus Gasen im Labor gelungen. Foto: Maximilien Brice, CERN

Eiskeime beeinflussen die Eisbildung in Wolken, welche wiederum der erste wichtige Schritt in der Entstehung von Niederschlägen in der Atmosphäre ist. Foto: Tilo Arnhold, TROPOS