Der Einfluss der Wolken auf das Klima ist immer noch einer der größten Unsicherheitsfaktoren bei den Vorhersagen. Zum Beispiel können dichte Wolkendecken die Erdoberfläche kühlen, dünne Zirruswolken zur Erwärmung beitragen. Der Prozess der Wolkenbildung ist deshalb weiterhin Gegenstand der Forschung. Klar ist, dass sich die kleinen Wassertröpfchen, aus denen die Wolken bestehen, an Kondensationskeimen bilden. Die Entstehung dieser auch Aerosole genannten Teilchen ist daher ebenfalls Gegenstand der Forschung. Berühmtheit erlangte die Theorie, dass kosmische Strahlung zur Wolkenbildung beitrüge und die Oberflächentemperatur maßgeblich beeinflussen würde. Ein beliebtes Argument der Klimaskeptiker, das eigentlich bereits von der Realität des Temperaturanstieges widerlegt wurde. Nun sind die Wissenschaftler des schweizerischen CLOUD-Experimentes ein ganzes Stück weiter gekommen. Kosmische Strahlung, schließen sie als Ursache der Bildung von Amin-Schwefelsäure-Partikeln inzwischen weitgehend aus.


Darstellung der Erde mit Wolkenbedeckung, Vegetation und erhöhter Aerosolkonzentration über Afrika
(Grafik: NASA; Lizenz: Public Domain)

Wasserdampf kann nicht ohne weiteres zu den Wassertröpfchen kondensieren, aus denen sich Wolken bilden. Er braucht Hilfsmittel, so genannte Aerosole. Das sind winzige Teilchen, die in der Luft schweben. An ihnen lagern sich Wassermoleküle schichtweise an. In einem Kubikzentimeter Luft befinden sich 10–1000 dieser Kondensationskeime. Bekannt ist, dass das Vorhandensein von Aerosolen bedeutende Auswirkungen auf das Klima hat. Einerseits tragen sie zur Wolkenbildung bei, andererseits reflektieren sie Sonnenenergie ins Weltall zurück. Beides wirkt der Erderwärmung entgegen. Noch immer ist in weiten Teilen nicht verstanden, wie sich diese Aerosole bilden. Das Ganze ist ein grosses Puzzlespiel: "Welche Verunreinigungen tragen an welchem Ort wie stark zur Nukleation bei?“ beschreibt Urs Baltensperger, Leiter des Labors für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut und Mitglied der wissenschaftlichen Leitung von CLOUD, die Herausforderung.

Verschiedene Forschungsinstitute, die am CLOUD-Experiment beteiligt sind kommen nun übereinstimmend zu der Auffassung, dass Amine, z.B. aus der Tierhaltung oder industriellen Prozessen, eine wichtige Rolle bei der Bildung von Aerosolpartikeln spielen. Wolken gehören auch in Klimamodellen zu den kühlenden Faktoren, da sie Sonnenlicht reflektieren. Klimaforscher wissen inzwischen, dass menschliche Aktivitäten insofern einen Einfluss auf die Wolkenbildung haben, als sie den Anteil an Aerosolpartikeln (Schwebeteilchen) in der Atmosphäre erhöht haben. Bildet sich eine Wolke, dann bedeuten mehr Aerosolpartikel auch mehr kleine Wassertröpfen, welche die Wolken heller und langlebiger machen. Seit 2006 untersucht eine internationale Kooperation mit maßgeblicher Beteiligung der Goethe-Universität Frankfurt am Main, des Paul Scherrer Institut (PSI) und der Universität Wien deshalb mit dem CLOUD-Experiment (CLOUD=Cosmics Leaving OUtdoor Droplets), am CERN bei Genf, welche atmosphärischen Spurengase die Bildung der Aerosolpartikel fördern. Die Entstehung von neuen Partikeln in der Atmosphäre, oder Nukleation, wie die Wissenschaftler sie nennen, birgt noch zahlreiche Rätsel. Nun konnten Forscher des Cloud-Experiments mehr Licht in das Dunkel bringen. Im Projekt CLOUD arbeiten 18 Institute aus neun Ländern zusammen.

Dabei beobachteten die ForscherInnen die Bildung neuer atmosphärischer Partikel in einer speziell konstruierten Messkammer unter extrem präzise kontrollierter Temperatur, Feuchtigkeit und Konzentration kondensierender Dämpfe. In der CLOUD-Kammer ist es möglich, wesentlich geringere Werte von Verunreinigungskonzentrationen zu erzielen als bei allen anderen bisher durchgeführten Experimenten. Dadurch sind wohldefinierte Experimente möglich und Komplikationen durch den Einfluss störender Gaskomponenten können vermieden werden. Mit hochempfindlichen Messinstrumenten werden die extrem niedrigen Dampfkonzentrationen sowie die molekulare Zusammensetzung der neugebildeten Molekülcluster bestimmt. Das CLOUD-Messsystem ermöglicht unter Verwendung eines CERN-Pionenstrahls auch die Messung einer Verstärkung der Nukleation durch kosmische Strahlung. Mit Hilfe eines internen elektrischen Feldes kann andererseits jeglicher Einfluss von Ionisation vollständig unterdrückt werden.

CLOUD-Kammer
CLOUD-Kammer am CERN (Foto: © CERN)

In der CLOUD-Klimakammer konnte erstmals nachgewiesen werden, wie wichtig das Vorhandensein winzigster Anteile der Stoffgruppe der Amine für die Aerosolbildung ist. Amine sind eng mit Ammoniak verwandt. „Wir haben Amine in so geringer Konzentration in die Luft gegeben, dass man sie mit den bisher gängigen Methoden gar nicht hätte messen können“, berichtet Urs Baltensperger. “Dafür mussten wir am Paul Scherrer Institut in einem ersten Schritt erst einmal ausreichend empfindliche Messmethoden für CLOUD entwickeln. Dann erst konnten wir mit den zwei Jahre dauernden Messungen beginnen, deren Ergebnisse nun in „Nature“ vorliegen.“ Baltensperger weiter: „Schon bei einer Konzentration von einem Aminmolekül auf 1 Trillion Luftteilchen konnte eine Nukleation unter natürlichen Konzentrationen von Schwefelsäure beobachtet werden. Solch geringe Mengen kommen in der Atmosphäre vielerorts vor.“ Es zeigte sich nun, dass die Aerosolbildung speziell bei sehr geringen Konzentrationszunahmen enorm ansteigt. In diesen tiefen Spurenbereichen hatte man bisher nicht messen können und war fälschlicherweise von einem linearen Anstieg ausgegangen. Amine sind bekannt dafür, sich gern mit Schwefelsäure zu verbinden, um Aerosole zu bilden. Dass der Anstieg bei höheren Konzentrationen weniger stark ist, hängt auch damit zusammen, dass es in der Atmosphäre oft nicht genug Schwefelsäure-Moleküle gibt, an die sich die Amine binden könnten. Die nun gefundene Partikelerzeugungsrate ist um den Faktor tausend höher als die von Ammoniak und liegt damit gleich hoch wie die Bildungsraten, die man in der realen Atmosphäre tatsächlich beobachtet. Die sehr detaillierten Messergebnisse konnten zusätzlich mit Hilfe quantenchemischer Berechnungen des molekularen Clusterbildungsvorganges erklärt werden. Somit erzielten die ForscherInnen ein grundlegendes Verständnis des Nukleationsprozesses auf molekularem Niveau.

Die Neubildung von Aerosolpartikeln in der Atmosphäre könnte ein Schlüsselprozess für die Regulation des Klimas sein, da wir davon ausgehen, dass etwa die Hälfte der Wassertröpfchen in Wolken an Aerosolpartikeln kondensiert, die sich erst in der Atmosphäre neu gebildet haben“, erklärt Prof. Joachim Curtius vom Institut für Atmosphäre und Umwelt der Goethe-Universität. Amine sind Abkömmlinge (Derivate) des Ammoniaks, die hauptsächlich durch die Tierhaltung entstehen, aber auch vom Meer, den Böden und bei der Verbrennung von Biomasse freigesetzt werden. „Wir konnten erstmals zeigen, dass Amine äußerst effizient Partikel bilden, weil sie starke Bindungen mit Schwefelsäuredämpfen eingehen“, so Curtius und weiter: „Die hochpräzisen Messungen erlauben es uns, den Nukleationsprozess auf der molekularen Ebene zu verstehen. Die Ergebnisse legen nahe, dass natürliche und anthropogene Amin-Quellen das Klima beeinflussen könnten.“

Wichtig ist das Ergebnis auch deshalb, weil die Emission von Aminen künftig wahrscheinlich zunehmen wird: Die Gasreinigung mithilfe von Aminen gilt als zukunftsträchtige Technik zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Verbrennung von Braun- und Steinkohle in Kraftwerken. Die Ausbreitung von diesen Aminen in Regionen mit sehr geringen Partikelkonzentrationen könnte dazu führen, dass sich der kühlende Effekt durch Aerosole verstärkt. Am Experiment beteiligt waren ebenfalls Aerosolphysiker der Universität Wien um Paul Wagner. Er macht deutlich: "Die Resultate deuten darauf hin, dass natürliche und anthropogene, also durch menschliche Aktivitäten hervorgerufene Quellen von Aminen das Klima beeinflussen könnten". Er ist ebenfalls der Meinung, dass zu erwarten sei, dass anthropogene Amin-Emissionen in Zukunft ansteigen werden, insbesondere weil sich Amin-Gaswäsche voraussichtlich zu einer dominanten Technologie für die CO2-Abscheidung bei Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen entwickeln wird. "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" betont Wagner. "

Die ForscherInnen haben auch gezeigt, dass die Entstehungsrate von Amin-Schwefelsäure Partikeln in der Atmosphäre kaum durch Ionisation auf Grund kosmischer Strahlung beeinflusst wird, da der Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Geschwindigkeit der Partikelerzeugung minimal war. Die Ionisation von Molekülen in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung, die im CLOUD-Experiment ebenfalls untersucht wurde, spielt somit kaum eine Rolle bei der Bildung von Amin-Schwefelsäure-Partikeln. Die Forscher schließen jedoch nicht aus, dass die Nukleation von Schwefelsäure-Partikeln in der unteren Atmosphäre auch durch andere Dämpfe gefördert werden kann, auf die Ionisation durch kosmische Höhenstrahlung einen größeren Einfluss haben könnte. CLOUD ist das erste Klimaexperiment, das die am Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf erzeugten Teilchen nutzt, um den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Bildung neuer Aerosolpartikel zu untersuchen.

Eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg der Messungen ist, gemäss des Leiters des Labors für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut Prof. Baltensperger, dass „beim CLOUD-Experiment erstmals so saubere und genau kontrollierte Bedingungen in der Luft einer Klimakammer hergestellt werden können, dass der Einfluss selbst minimaler Faktoren auf die Aerosolbildung gemessen werden kann. Nirgends auf der Welt sind je derart exakte Messungen erreicht worden. Bisher verfälschten auch bei grösster Sorgfalt stets kleine Verunreinigungen die Messergebnisse.“ Ein weiterer Baustein zum Erfolg war die Entwicklung von noch empfindlicheren Messmethoden zur Bestimmung der Konzentrationen der Gase und der Zusammensetzung der sich bildenden Partikel. Hier war es zentral, dass das Team des Paul Scherrer Instituts es erreicht hat so extrem niedrige Konzentrationen von Aminen überhaupt exakt zu messen.

Je mehr man über die Aerosolbildung weiss, desto exakter können Klimaprognosen werden. Tiefere Kenntnisse über die Aerosolbildung sind nämlich essentiell für die Klimamodelle. Einerseits reflektieren die Aerosole wie erwähnt Sonnenstrahlung in den Weltraum zurück, andererseits tragen sie zur Bildung von Wolken bei. Dazu kommt: Je feiner die Wolkentröpfchen sind, desto „dichter“ wird die Wolke. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn es sehr viele Aerosole gibt, an denen sich Wolkentröpfchen bilden können, aber nur wenig Wasser in der Luft. Dann bleiben die einzelnen Tropfen kleiner, die Wolke wirkt „weisser“ und reflektiert das Sonnenlicht stärker. Zudem regnet eine solche Wolke nicht so schnell ab und strahlt dementsprechend länger Sonnenenergie in den Weltraum zurück. Hätte die Erde in einem beliebigen Zeitpunkt keinerlei Wolkendecke, erhielte jeder Quadratmeter Erdoberfläche im Durchschnitt 20 Watt zusätzliche Wärmeenergie. Aerosole wirken also der Erwärmung der Erdatmosphäre entgegen.

Dies ist nun keine neue grundsätzliche Erkenntnis, denn die abkühlenden Wirkung der Aerosole wurde schon lange in Klimamodellen und auch in den IPCC-Berichten berücksichtigt. Neu ist jedoch, das Wissen über die Rolle der Amine beim Prozess der Bildung von Kondensationskeimen und das für diesen Ablauf der Beitrag kosmischer Strahlen bedeutungslos ist.


Publikation in "Nature"
Almeida et al.: Molecular understanding of sulphuric acid-amine particle nucleation in the atmosphere.
Advance Online Publication in Nature, Oktober 2013.
DOI.10.1038/nature12663