Partikelbildung in der Atmosphäre

Die Bildung von neuen Partikeln in der Atmosphäre, oder Nukleation, wie die Wissenschaftler sie nennen, birgt noch zahlreiche Rätsel. Soeben konnte eines gelüftet werden, dank neuer Messungen des CLOUD-Experiments am CERN. CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) untersucht seit 2006 den Einfluss kosmischer Strahlung auf die Bildung dieser Partikel. Im Projekt arbeiten 18 Institute aus neun Ländern zusammen. Auch PSI-Wissenschaftler sind massgeblich daran beteiligt und wesentliche Bestandteile der Konstruktion der Klimakammer wurden am PSI entwickelt.

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 ihr Vorhandensein 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 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.

Amine haben unerwartet wichtige Rolle

In der CLOUD-Klimakammer konnte nun 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. Der Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Geschwindigkeit der Partikelerzeugung dagegen war minim.

Grundlagen des Erfolges

Eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg der Messungen ist gemäss 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.

Klimamodelle können genauer werden

Tiefere Kenntnisse über die Aerosolbildung sind 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. Bereits bekannt war, dass etwa die Hälfte der Aerosole natürlichen Ursprungs ist. Der Mechanismus der Nukleation jedoch war bisher nur rudimentär bekannt. Je mehr man über die Aerosolbildung weiss, desto exakter können die Klimamodelle werden.

Text: Alexandra von Ascheraden

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.