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Ice Nucleating Particles in the Marine Atmosphere

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Kristallisationskeime mit großem klimatischen Effekt

Staubpartikel, gleich, ob sie von Wüstenböden oder Gletscherschluff stammen, können in Wolken Eiskristalle bilden und den Himmel wolkenlos machen. Die Erforschung solcher Effekte auf das Wetter ist Voraussetzung für genauere Klimamodelle.

Klimawandel und Umwelt

Als sogenannte Eiskeime werden kleinste atmosphärische Partikel bezeichnet, die für Klimamodelle von entscheidender Bedeutung sind. Über ihren Ursprung und ihre Konzentration in der Atmosphäre ist jedoch wenig bekannt. „Die letzten fünf Jahre zeigten, dass globale Klimamodelle die Menge an Eiskristallen in den Wolken deutlich überschätzten. Werden diese Werte korrigiert, dürften die Modelle eine sehr viel stärkere Erwärmung prognostizieren“, sagt Benjamin Murray, Koordinator des vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projekts MarineIce. „Die Quantifizierung der Eismengen in Wolken ist daher entscheidend, um Unsicherheiten bei Klimamodellen auszuräumen.“

Kristallisation – Keim für Veränderungen

Eiskeime sind winzige Partikel, deren Durchmesser deutlich kleiner ist als ein menschliches Haar, u. a. Bodenstaub, Ruß, Bakterien, Gischt und Pollen. In der Atmosphäre tragen sie dazu bei, dass Feuchtigkeit zu Tröpfchen kondensiert und sich Wolken bilden. Die Temperatur dieser Wolkentröpfchen kann sehr niedrig sein – bis zu -38 °C. Eiskeime in der Luftsäule tragen dazu bei, dass sich aus diesen sehr kalten Tröpfchen Eiskristalle formieren. „Diese Umwandlung von Wasser zu Eis ist ein klimakritischer Prozess“, erklärt Murray. „Wird eine Regenwolke zu einer Eiswolke, bilden viele kleine Tröpfchen einige wenige größere Eiskristalle, die dann herunterfallen können.“ Eine kleine Injektion dieser Eiskeime (ein Nanopartikel pro Liter Luft) reicht aus, um bewölkten Himmel aufzuklaren. Über Ozeanen führt dies zum Verschwinden der reflektierenden Wolkenschicht und zur Exposition der dunkleren Meeresoberfläche, die wiederum Sonnenwärme absorbiert und den Klimaeffekt drastisch verstärkt. Dieser Prozess ist besonders für subpolare Regionen relevant, etwa in Breitengraden zwischen 45 und 75 Grad. „Eine genauere Bestimmung der Konzentration an Eiskeimen ist entscheidend für das Verständnis der Wolkenphase und des Reflexionsvermögens über dem Meer“, fügt Murray hinzu. „Die im superkalten Zustand gebildeten massiven Wolkenformationen reagieren empfindlich auf Eiskeime.“

Zählung von Kristallisationskeimen

Um die Konzentration von Eiskeimen in der Atmosphäre zu präzisieren, konstruierten Murray und sein Team von der Universität Leeds die sogenannte PINE-Kammer (Portable Ice Nucleation Experiment). Dabei wird in einem 10-Liter-Behälter in dem kühlschrankgroßen Gerät Umgebungsluft zu einer Wolke kondensiert, sodass die Zahl der dabei entstehenden Eiskristalle gezählt werden kann. Eine weitere Entwicklung ist das Chiplabor Nucleation by Immersed Particle Instrument, LOC-NIPI für die schnelle mikrofluidische Zählung von Eiskristallen in Wassertropfen. „Eine herkömmliche Methode zur Bestimmung der Eiskeime ist die manuelle Erzeugung von Tröpfchen in einer Eiskammer, was aber maximal 10 Tröpfchen pro Stunde ergibt“, so Murray. „Mit unserem System hingegen lassen sich 100 Tröpfchen pro Sekunde erzeugen.“ Die Systeme wurden in Laboranlagen am Boden und in der Atmosphäre installiert und lieferten neue Erkenntnisse zur Konzentration von Eiskeimen. Dabei enthüllten Luftaufnahmen im Rahmen des Projekts MarineIce eine überraschende Quelle dieser Partikel: „Erfreulicherweise entdeckten wir Staubwolken, die aus den Gletschertälern Islands stammten“, erklärt er. „Wir konnten zeigen, wie sie sich über die gesamte Region schnell ausbreiten und wesentlich zur Bildung von Eiskeimen in hohen Breitengraden beitragen.“ Weitere Forschungen in der Arktis ergaben eine komplexe und heterogene Verteilung von Eiskeimen, was verdeutlicht, wie wenig über dieses Phänomen wirklich bekannt ist. Das Team treibt die Markteinführung der PINE-Kammer jetzt über das EU-finanzierte Projekt CountIce voran, das einen wichtigen Meilenstein in der Klimaforschung darstellen wird.

Schlüsselbegriffe

MarineIce, Wolke, Eis, Eiskeim, Kristallisationskeim, Staub, Ruß, Wüste, Wolke, wolkenlos, Wetter, Klima

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