Wolken-Wissenschaft Im Trüben forschen

Wer dieser Tage in Deutschland zum Himmel blickt, hat meist nicht den Eindruck, dabei etwas besonders Interessantes zu sehen: alles grau. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) finden eine solche Suppe aber so spannend, dass sie absichtlich schlechtes Wetter produzieren. Uns mögen Wolken banal und alltäglich vorkommen, für die Wissenschaft ist dieses Atmosphärenphänomen nach wie vor ein großes Rätsel - und zwar eines, dessen Lösung besonders wichtig wäre. Wolken sind der größte Unsicherheitsfaktor bei den Prognosen über die globale Erderwärmung. Ihre Rolle im Klimageschehen ist immens. Allerdings ist noch unklar, ob in einer wärmeren Welt künftig mehr Wolken entstehen und ob sie dann den Klimawandel bremsen oder zusätzlich beschleunigen.

Atmosphärenphysiker des KIT haben sich daher eine spezielle Kammer gebaut, um die bislang undurchsichtigen Vorgänge in Wolken aufzuklären und die nicht zu kontrollierenden Abläufe in der freien Atmosphäre zu simulieren. Aida (für „Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere“) heißt der ganze Stolz der Wolkenmacher: Ein sieben Meter hohes Laboratorium, in dem die Forscher sich gerade etwas ähnlich Trübgraues wie den Stratus nebulosus zusammenbrauen, der an diesem Wintertag über Karlsruhe liegt.

Klitzekleine Schwebeteilchen bilden den Wolkenkeim

Was Thomas Leisner, den Leiter der Abteilung Atmosphärische Aerosolforschung am KIT, daran interessiert, ist weniger die Farbe, sondern die Armada klitzekleiner Schwebeteilchen, die in der Atmosphäre herumjagen. Ohne diese sogenannten Aerosolpartikel könnte eine Wolke meist gar nicht entstehen. Sie dienen als Kondensationskeime, an denen der unsichtbare Wasserdampf in der Luft kondensiert und die typischen weißen Schwaden somit in den Himmel wachsen können. Aerosolpartikel gelten deshalb als ein wichtiger Klimafaktor und sind womöglich der Schlüssel, um das Geheimnis der Wolken zu lüften.

Wie wirksam die mikroskopisch kleinen Teilchen sind, demonstriert Leisners Mitarbeiterin Corinna Hoose in einem Modell, mit dem sich die Experimente der großen Kammer veranschaulichen lassen. Aus einem Plexiglasbehälter pumpt sie zunächst saubere Raumluft, wodurch der Luftdruck sinkt und die relative Luftfeuchtigkeit steigt. Nach kurzer Zeit ist die Luft mit Wasser gesättigt und in der Mini-Aida bilden sich feine Wassertröpfchen. Eine zarte Wolke entsteht. Das Gleiche passiert in der Erdatmosphäre, wenn Luft aufsteigt, weil sie zum Beispiel über ein Gebirge strömt. Mit der Höhe wird die Luft dünner und kälter; sie kann nun weniger Wasser aufnehmen. Ist das Maximum erreicht, bilden sich Wolken. Dann wiederholt Hoose den Versuch. Dieses Mal zündet sie jedoch ein Streichholz an, löscht es und hält das qualmende Hölzchen in den Behälter. Als sie die verrauchte Luft schließlich abpumpt, breitet sich sofort dichter Nebel aus, weiße Schwaden steigen empor. „Wie man sieht, regt Rauch die Wolkenbildung an“, sagt sie. Es heften sich sichtbar mehr Wasserteilchen an die Ruß- und Aschepartikel, die Wolke wird kompakter. Dieser Effekt lässt bei den sogenannten Shiptracks beobachten. Fährt ein Schiff mit rauchendem Schlot unter einer tief hängenden Wolke hindurch, erscheint am Himmel ein deutlicher Wolkenstreif.

Wie wirken sich Nanopartikel aus?

Doch es müssen nicht immer Partikel aus Verbrennungen sein, die Wolken entstehen lassen. In der Atmosphäre wirbeln Kondensationskeime unterschiedlichster Art und Herkunft umher: aus Wüsten entwichener Staub, Vulkanasche, Salz des Meerwassers. Auch Bakterien, Viren, Sporen und Pollen lassen sich gerne durch die Lüfte tragen und fungieren dort als Kondensationskeime. Und der Mensch bringt seit Beginn der Industrialisierung erkleckliche Mengen Asche, Schwefel- sowie Stickstoffoxide in die Atmosphäre ein, und neuerdings auch Nanopartikel. Doch wie wirkt sich das aus?

Alle Teilchen in der Atmosphäre sind so winzig, dass sie mit dem bloßen Auge meist nicht zu erkennen sind, höchstens bei grellem Sonnenlicht und in hoher Konzentration. Die kleinsten messen nur wenige Millionstel Millimeter und sind so leicht, dass sie monatelang in der Schwebe gehalten werden. Der Wind bestimmt ihren turbulenten Weg.

Die Rolle der Sonne

Sind die Teilchen erst einmal in der Luft, können viele verschiedene physikalische, chemische und sogar biologische Prozesse ablaufen. Manche dauern Sekunden, andere Wochen. Nicht alle Teilchen eignen sich gleich gut, Wasserdampf zu binden und Wolken zu bilden. Sulfat und Nitrat sind dafür besser geeignet als etwa Ruß. Und auch Größe und Gestalt sind entscheidend. Je mehr Oberfläche beispielsweise ein Teilchen hat, desto mehr Wasserdampf kann an ihm kondensieren. Doch nicht jede Wolke bringt Regen. Erst wenn die Tröpfchen sich gegenseitig anziehen, aneinander heften, groß, größer und schließlich zu schwer werden, um in der Luft zu schweben, regnet es.

Neben Partikeln, die von der Erdoberfläche stammen, fliegen in der Atmosphäre noch ganz andere Teilchen umher, die als Kondensationskeime dienen können. Es sind Verbindungen von Luftmolekülen, die entstehen, wenn ionisierende Strahlung aus dem All chemische Reaktionen auslöst. Da die Intensität der eintreffenden kosmischen Strahlung von der Aktivität der Sonne abhängt, wird in der Fachwelt seit Jahren darüber debattiert, ob die Erderwärmung nicht eher auf eine Änderung der Sonnenaktivität zurückzuführen sein könnte als auf den fortgesetzten Eintrag von Treibhausgasen durch die Menschheit. Bisher gibt es für diese Vermutung allerdings kaum Belege (siehe „Klima aus dem All?“).

Kaum präzise Daten

Dabei ist die Erforschung der Aerosolpartikel schon schwierig genug. So wenig die Atmosphärenphysiker über das Innenleben der Wolken wissen, so wenig wissen sie derzeit über das Verhalten der wolkenbildenden Partikel. Das Messnetz ist lückenhaft, und zuverlässige Datenreihen liegen meist nur von entlegenen Bergstationen vor. Auch Satelliten liefern bisher keine präzisen Daten, mit denen man einen menschlichen Einfluss eindeutig belegen könnte.

Bleiben also kontrollierte Experimente wie die im Aida-Labor. Thomas Leisner und sein Team können in der Wolkenkammer alle möglichen Wetterbedingungen der Erde einstellen. Die Temperaturspanne reicht von minus neunzig bis plus sechzig Grad; Feuchtigkeit und Luftdruck sind ebenfalls zu regeln. Gekühlt wird Aida mit flüssigem Stickstoff, alle paar Tage kommt Nachschub per Tanklastwagen. Die Experimente müssen äußerst penibel ablaufen. Ein Heer von Messinstrumenten durchforscht die trübe Suppe. Bevor ein Versuch startet, müssen die Physiker wissen, welche und wie viele Partikel in Aida umherschwirren - ohne exakte Inventur gibt es nachher keine brauchbaren Ergebnisse.

Eiswolken sind entscheidend

Am diesem Tag herrschen in der Aida-Kammer minus achtunddreißig Grad. Eine Temperatur, wie sie für hohe Wolken typisch ist, in denen das Wasser häufig erst zu Eis gefriert. Solche Eiswolken stehen bei den Atmosphärenforschern unter ganz besonderer Beobachtung, versprechen sie doch weitere Erkenntnisse. Nun wollen die Karlsruher Wissenschaftler deren Geburt genauer betrachten, zwei Wolkenforscher anderer Universitäten sind eigens dafür angereist.

Eiswolken sind entscheidend, damit überhaupt Regen fällt, insbesondere in unseren Breiten. Sie bilden sich aber auf spezielle Weise. „Ihre Teilchen sind im Gegensatz zu Wasser sehr wählerisch“, formuliert es Leisner. Wasserdampf kondensiere an fast allen Aerosolpartikeln, während diese Tröpfchen selbst bei Temperaturen bis minus vierzig Grad immer noch flüssig seien, weil sie einfach bislang nicht den passenden Keim gefunden haben, um daran zu gefrieren. Und am Himmel ist die Partnerwahl keine leichte Sache: Je höher die Atmosphärenschicht, desto geringer das Angebot. Hat man sich endlich gefunden, geht es ruckzuck. Eisteilchen sind dominant und besitzergreifend, sie üben eine so große Anziehungskraft aus, dass sie sich gleich mit mehreren Wasserteilchen vermählen. Eisteilchen verleiben sich Wasserteilchen regelrecht ein, werden schwerer und schwerer und reißen sie auf ihrem Weg nach unten mit. Sind sie zu gierig, können sie zerplatzen, durch den Raum schießen und neue unterkühlte Wasserteilchen zu Eis erstarren lassen. „Eisteilchen sind selbst die besten Keime, die es gibt“, sagt Thomas Leisner.

Wenig in Klimamodellen berücksichtigt

Dieser als Kontaktgefrieren bezeichnete Vorgang funktioniert besonders gut und schon bei relativ warmen Temperaturen. Manchmal tragen unterkühlte Wasserteilchen den Auslöser schon lange in sich, bevor dieser Keim seine Wirkung entfaltet. In Leisners Versuchen hat sich aber gezeigt, dass solch ein Immersionsgefrieren weniger effektiv ist als eines, das durch den Zusammenprall von Teilchen ausgelöst wird. Zudem hat der Wolkenforscher mittels Aida herausgefunden, dass biologische Partikel sehr effiziente Eiskeime sind. Das gilt vor allem für Bakterien der Gattung Pseudomonas, die es ohnehin feucht mögen. Sie haben eine Art Andockstelle für unterkühlte Wassertröpfchen. Deshalb setzt man sie auch in Schneekanonen ein. Ganz im Gegensatz zu Rußpartikeln: Schon seit längerem ist bekannt, dass Rußpartikel zwar wunderschöne dichte Wolken erzeugen, aber kaum Regenwolken. Und auch Wüstensand ist nicht gleich Wüstensand; kleine Sandkörnchen aus der Sahara verhalten sich anders als solche aus anderen Wüstenregionen.

Doch so schwierig das Verhalten kleinster Teilchen und deren Auswirkung auf die Wolkenbildung zu bestimmen ist, so schwierig ist es, exakte Aussagen über den Klimaeffekt der Wolken zu treffen. Aus diesem Grund ist ihr vermutlich erheblicher Beitrag zur Erderwärmung bis heute nur näherungsweise in den Klimamodellen berücksichtigt. Dabei könnte bereits eine minimale Zunahme des Bedeckungsgrades den Effekt des vom Menschen freigesetzten Kohlendioxids wettmachen.

Auch Flugzeuge haben eine Wirkung

Theoretisch müssten in einer wärmeren Welt zwar mehr Wolken entstehen, weil mehr Wasser verdunstet, andererseits kann wärmere Luft auch mehr Wasserdampf aufnehmen. Entscheidend ist außerdem, welche Wolkentypen sich bilden: Dichte und dunkle Haufenwolken, die Cumuli, reflektieren Sonnenlicht ins All zurück, was sich eher kühlend auf die Erde auswirkt. Die flauschigen hohen Eiswolken dagegen, im Fachjargon der Nephologen Cirren genannt, wärmen den Planeten zusätzlich, denn sie lassen das Sonnenlicht generell sehr gut durch, vermindern gleichzeitig die Wärmeabstrahlung der Erdatmosphäre - und fördern damit den Treibhauseffekt. Wie verschiedene Wolkentypen dann das Licht streuen, ist im Detail recht komplex. Die im Volksmund als Schleierwolken bekannten Cirren beispielsweise bestehen aus Eisteilchen mit glatter oder mit rauher Oberfläche. Rauhe Teilchen reflektieren mehr Licht als glatte, sodass sich der wärmende Effekt bei ihnen reduziert. Ob infolge des Klimawandels künftig mehr Cirren den Himmel bedecken werden, ist ungewiss. Womöglich hilft auch dabei der Mensch nach. Abertausende von Flugzeugen am Himmel hinterlassen nicht nur Kondensstreifen, sondern regen obendrein die Bildung von Schleierwolken an. Mit Folgen fürs Klima: Beides zusammen hat den gleichen Effekt wie der CO2-Ausstoß des gesamten Flugverkehrs. Das entdeckte der Physiker Robert Sausen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen vor mehr als zwei Jahren.

Was bedeuten diese Erkenntnisse für den Klimawandel? Trotz aller Bemühungen existiert weiterhin keine allgemeingültige Wolkenformel, die Natur der atmosphärischen Gebilde bleibt weiterhin nebulös. KIT-Forscher Thomas Leisner schätzt den bisherigen Erkenntnisstand immer noch als gering bis sehr gering ein. Viele Forscher halten es mittlerweile für wahrscheinlicher, dass eine Zunahme der Wolkenbedeckung die Erderwärmung eher leicht verstärkt. Zum selben Ergebnis kamen im vergangenen November auch die Nephologen John Fasullo und Kevin Trenberth aus Boulder in Colorado in ihrer im Fachmagazin Science veröffentlichten Studie.

Der Effekt der Aerosole auf die Wolken wirkt sich in der Atmosphäre vor allem regional aus. „Sie können Wolken durchaus stark verändern“, sagt Leisner. So vermutet er, dass die ungewöhnlich starke Erwärmung der Arktis und die damit einhergehende Eisschmelze in den vergangenen Jahren auf eine Änderung der Wolkenbedeckung zurückzuführen ist. Ob dieser Trend anhält, ist den Forschern - einmal mehr - schleierhaft.