Wolken bestehen aus Wassertröpfchen. Damit sich diese bilden können, braucht es winzige Partikel, an denen Wasserdampf kondensieren kann. Bei solchen Kondensationskeimen – oder Aerosolen – handelt es sich um feste oder flüssige Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikrometern. Sie entstehen durch natürliche Prozesse oder werden durch menschliche Aktivität verursacht – also etwa Salz aus dem Meer, Sand aus der Wüste, von Bäumen emittierte organische Gasmoleküle, Schadstoffe aus Industrie und Verkehr oder Rußpartikel von Feuern.
Etwa die Hälfte der Kondensationskeime entsteht aber erst in der Luft, indem sich verschiedene gasförmige Moleküle verbinden, in den festen Aggregatzustand übergehen, nach und nach wachsen und schließlich Kondensationskeime bilden. Dieser Vorgang wird Nukleation oder Partikelneubildung genannt.
Wolken im Edelstahltank
Seit 2009 erforscht ein internationales Forschungsteam mit österreichischer Beteiligung im internationalen Atmosphärenforschungsprojekt CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) am Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN in Genf (Schweiz) diese Nukleation. In einem 26 Kubikmeter großen Edelstahltank können die Forscherinnen und Forscher die Bildung von Aerosolpartikeln und Wolken unter extrem präzise kontrollierbaren Bedingungen untersuchen.
Der Hauptteil der vom Menschen emittierten Gase, die zur Partikelneubildung beitragen, ist Schwefeldioxid, das vor allem aus der Verbrennung von Kohle und Öl stammt. Zu den wichtigsten natürlichen Gasen, die bei der Nukleation eine Rolle spielen, zählen Kohlenwasserstoffe, die von Pflanzen, vor allem von Bäumen, freigesetzt werden, konkret Isoprene, Monoterpene und Sesquiterpene. Wenn diese Substanzen in der Luft oxidieren, bilden sie Partikel.
Sesquiterpene kommen zwar vergleichsweise selten vor, die Kohlenwasserstoffe haben aber einen enormen Effekt auf die Entstehung von für die Wolkenbildung notwendigen Kondensationskeimen, berichten die Forscherinnen und Forscher im Fachjournal „Science Advances“.
Schwer zu messen
Während die Konzentration von Schwefeldioxid in der Luft durch strengere Umweltgesetze abnimmt, steigt die Konzentration der Terpene dagegen, „weil Pflanzen unter Stress mehr davon freisetzen – beispielsweise wenn Temperaturen und Wetterextreme zunehmen und die Vegetation häufiger Dürren ausgesetzt ist“, so die Atmosphärenwissenschaftlerin Lubna Dada vom Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI), die gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen u. a. der Universitäten Wien und Innsbruck und der Technischen Universität (TU) Wien in der nun veröffentlichten Arbeit die Rolle der Sesquiterpene untersucht hat.
Diese sind schwer zu messen, weil sie einerseits sehr schnell mit Ozon reagieren, und andererseits viel seltener vorkommen als Isoprene und Monoterpene. So werden jährlich rund 465 Mio. Tonnen Isopren und 91 Mio. Tonnen Monoterpene freigesetzt, aber nur 24 Mio. Tonnen Sesquiterpene. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun zeigten, spielen Sesquiterpene bei der Wolkenbildung dennoch eine wichtige Rolle: Sie bilden bei gleicher Konzentration zehnmal mehr Partikel als die anderen beiden organischen Substanzen.
In den Versuchen produzierte die Oxidation einer natürlichen Mischung von Isoprenen, Monoterpenen und Sesquiterpenen eine Vielfalt von organischen Verbindungen (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds; ULVOC), die sehr effizient Partikel bilden. Der enorme Effekt der Sesquiterpene offenbarte sich, als die Forscherinnen und Forscher einem Gemisch aus Isopren und Monoterpenen nur zwei Prozent Sesquiterpene hinzumischten – dann verdoppelte sich die Rate der Partikelneubildung im Vergleich zur reinen Isopren-Monoterpen-Mixtur.
Eigener Faktor in Klimamodellen
Die Forschungsergebnisse könnten auch dazu beitragen, Unsicherheiten von Klimamodellen zu reduzieren und präzisere Vorhersagen zu treffen. Dazu müssten neben Isoprenen und Monoterpenen künftig auch die Sesquiterpene als eigener Faktor in die Klimamodelle aufgenommen werden, so die Studienautorinnen und -autoren.
Die Vorhersagen für die globale Klimaerwärmung sind mit Unsicherheiten behaftet. Ein Grund dafür ist, dass noch nicht alle Vorgänge in der Atmosphäre verstanden sind, etwa wie die darin enthaltenen Gase und Schwebstoffe zur Wolkenbildung beitragen. Dies ist aber ein wesentlicher Faktor für das Klima, da Wolken Sonnenstrahlung reflektieren und dadurch einen kühlenden Effekt haben.