Eine bessere Beschreibung der Wolkenbildung in atmosphärischen Modellen erreichen
Der am häufigsten vorkommende kondensierbare Dampf in der Atmosphäre ist Wasser, das sich beim Kontakt mit einer kalten Oberfläche in Tröpfchen verwandelt. Deshalb beschlagen Brillengläser beim Wechsel von einer kalten in eine wärmere Umgebung. Neben Wasserdampf enthält die Atmosphäre auch Aerosolpartikel. Dabei handelt es sich um mikroskopisch kleine Schwebeteilchen in der Luft aus natürlichen Quellen wie Wüstenstaub und Gischt, aber auch aus anthropogenen Schadstoffen wie Industrieemissionen. „Kleine Aerosolpartikel in der Atmosphäre verhalten sich wie die Oberfläche eines Brillenglases“, sagt INTEGRATE(öffnet in neuem Fenster) –Projektkoordinatorin Ilona Riipinen von der Universität Stockholm(öffnet in neuem Fenster). „Jedes Wolkentröpfchen in der heutigen Atmosphäre wurde von einem Teilchen besät.“
Von Molekülen zur Klimawissenschaft
Aerosolpartikel sind daher entscheidend für die Wolkenbildung. Diese Wechselwirkung zwischen Aerosolpartikeln und Wasserdampf spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Wolkengröße und der Niederschlagsmenge sowie des Energiehaushalts der Erde, also des Gleichgewichts zwischen einfallender Sonnenstrahlung und ausgehender terrestrischer Strahlung, durch die Fähigkeit der Wolken zum Reflektieren von Sonnenstrahlung. Mit Unterstützung durch den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) sollte Projekt INTEGRATE das Grundlagenwissen über diese Wechselwirkungen erweitern, um besser verstehen zu können, wie Wolken und Niederschlag das Klima beeinflussen und die Luftqualität bestimmen. „Diese Wechselwirkungen beinhalten komplexe Ereignisketten“, merkt Riipinen an. „Um beispielsweise die Entwicklung von Temperatur- oder Niederschlagsmustern in einem Erdsystemmodell genau abzuschätzen, sind numerische Beschreibungen nichtlinearer Prozesse wie Veränderungen der Aerosoleigenschaften und der Wolkenmikrophysik erforderlich. Das ist ein äußerst komplexes Unterfangen.“
Die Wechselwirkungen von Teilchen beobachten
Zum Erreichen der Ziele führte INTEGRATE Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen, die sich mit der grundlegenden molekularen Ebene befassen, etwa der Frage um die bestimmenden Faktoren für die Molekülkondensation und Fragen völlig anderer Tragweite wie beispielsweise den Wechselwirkungen zwischen Wald und Atmosphäre. Dies trug dazu bei, Phasenübergänge auf molekularer Ebene in den Kontext der Klimawissenschaft zu stellen. „Bei der Feldforschung sammelten wir Luftproben aus abgelegenen arktischen Gebieten, in denen es nur wenige anthropogene Partikel gibt, aber auch aus stärker belasteten Regionen wie der Po-Ebene in Norditalien“, erklärt Riipinen. „Wir verwendeten daraufhin verschiedene Techniken, um Partikel von der molekularen Ebene bis hin zur Größe von Wolkentröpfchen mit höheren Größenordnungen zu messen.“ Das Team konzentrierte sich zudem auf Nitrate, eine Gruppe von Verbindungen, über die bisher nur wenig bekannt war. Da die Sulfatemissionen zurückgehen, werden Nitrate voraussichtlich als Quelle für anthropogene Partikel an Bedeutung gewinnen. Das Projektteam hat neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie verschiedene Nitrate mit Wasser interagieren.
Klimawissenschaftliche Empfehlungen
Ein wichtiger Erfolg des Projekts bestand darin, dass es ein Umdenken in der wissenschaftlichen Betrachtung von Partikeln bei der Wolkenbildung angeregt hat. Anstelle der üblichen Vorstellung, dass Partikel eine bestimmte Größe haben müssen, um zu „Wolkensamen“ zu werden, sollte dieser Prozess nach Ansicht von Riipinen eher als Kontinuum betrachtet werden. Die Ergebnisse des Projekts wurden überdies in klimawissenschaftliche Empfehlungen übertragen, um die Integration der Erkenntnisse in Erdsystem- und Luftqualitätsmodelle zu fördern. „Für Vorhersagen über Veränderungen der Niederschlagsmuster oder der Luftqualität benötigen wir bessere Beschreibungen der Aerosol-Dampf-Wechselwirkungen und der damit verbundenen physikalischen Zusammenhänge“, sagt sie. „Beschreibungen in Modellen müssen auf grundlegenden Erkenntnissen beruhen.“ Dementsprechend ist Riipinen davon überzeugt, dass das Projekt die Wichtigkeit der Zusammenarbeit zwischen theoretischer und angewandter Wissenschaft gezeigt hat, um die Nachvollziehbarkeit der Arbeit und Anwendbarkeit in Vorhersagemodellen sicherzustellen.
