Ein neuer Mechanismus bei der Wolkenbildung identifiziert

Wolken spielen eine entscheidende Rolle in der Klimadynamik der Atmosphäre, ihre Auswirkungen sind jedoch eine Quelle vieler Unsicherheiten in den Modellen. Dennoch werden diese Grauzonen immer besser verstanden. Beispielsweise haben Jiaoshi Zhang von der Washington University in Saint-Louis und seine Kollegen gerade einen neuen Mechanismus identifiziert, der zu ihrer Entstehung beiträgt.

Bei der Entstehung der Wolken geht es sowohl um die Physik als auch um die Chemie. In der Troposphäre, der bodennächsten Atmosphärenschicht, die bis etwa 15 Kilometer über dem Meeresspiegel ansteigt, kondensiert Wasserdampf zu Tröpfchen. Diese werden je nach meteorologischen Parametern (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck) zu Stratocumulus-, Cumulonimbus- oder Zirruswolken.

Doch um zu kondensieren, benötigt Dampf die Anwesenheit von Schwebeteilchen, an denen er sich festsetzen kann. Bisher war die Bildung neuer Partikel über den Wolken, in der oberen Troposphäre, für Klimatologen das Ergebnis sogenannter „konvektiver“ Prozesse: Von der Erdoberfläche ausgestoßene Aerosole (feine Partikel) stiegen auf und wuchsen durch komplexe chemische Reaktionen.

Jiaoshi Zhang und seine Kollegen haben jedoch einen anderen Mechanismus für die Bildung dieser Partikel identifiziert. Dank Beobachtungsdaten, die während zweier Missionen der NASA in den Jahren 2016 und 2017 in den nördlichen Regionen des Pazifischen Ozeans und des Atlantischen Ozeans gesammelt wurden, konnten sie einen chemischen Prozess zur Bildung von Partikeln nachweisen, der auf der Ebene der Tropopause abläuft. Letzteres markiert die Grenze zwischen der wasserdampfreichen Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre, deren trockene Luft mit Ozon (O) belastet ist₃), mit der berühmten Ozonschicht, die uns vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt. Wenn eine mit Ozon beladene stratosphärische Luftmasse diese Grenze überschreitet und in die Troposphäre absinkt, führt eine Oxidationsreaktion zur Bildung neuer Partikel.

Forscher haben gezeigt, dass mit Ozon beladene Stratosphärenluft beim Abstieg in die Troposphäre mit Wasserdampf reagiert und so die Produktion eines dominanten Oxidationsmittels in der Atmosphäre fördert: des Hydroxylradikals (OH). Hohe Hydroxylkonzentrationen in der Nähe der Tropopause finden sich in einer Umgebung, die reich an Schwefeldioxid (SO) ist₂). Aber die Assoziation von SO₂ und OH führt zur Bildung von Schwefelsäure, die bekanntermaßen die Bildung neuer Schwefelpartikel auslöst.

Das Team stellte außerdem fest, dass dieses meteorologische Phänomen häufiger auftrat, wenn die Sonneneinstrahlung am Tag am höchsten war, wobei die Intensität im Sommer höher war. Diese Beobachtung ist ein Hinweis, der das vorgeschlagene Szenario untermauert, da Sonnenstrahlung bekanntermaßen die Produktion von Hydroxylradikalen fördert. Darüber hinaus wurde die Bildung von Partikeln durch Eindringen stratosphärischer Luft in großen geografischen Gebieten, insbesondere in Meeresgebieten, in niedrigen und hohen Breiten beobachtet.

Dieser neue Mechanismus der Partikelbildung am Ursprung von Wolken wird für die Verbesserung von Klimamodellen von entscheidender Bedeutung sein. Dies ist umso wichtiger, als die hohen Schwefeldioxidkonzentrationen in der Troposphäre unter anderem durch Flugverkehr und Großbrände verursacht werden. „In vorindustriellen Zeiten SO-Emissionen₂ waren schwächer, präzisiert Slimane Bekki, Forscherin am Labor für Atmosphären und Weltraumbeobachtungen am Pierre-Simon-Laplace-Institut. Heutzutage SO-Emissionen₂ sind im Wesentlichen anthropogen. Sie können die Bildung von Zirruswolken und damit das Klima beeinflussen. Es wird notwendig sein, diesen Mechanismus korrekt in Klimamodelle zu integrieren, um die Auswirkungen dieser anthropogenen Emissionen zu berücksichtigen. »