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Den Wolken auf der Spur

Wolken sind der große Unsicherheitsfaktor in den Klimamodellen. Vor allem an den Eiswolken zerbrechen sich die Forscher die Köpfe. Neueste Forschung zeigt: Eiswolken tragen wohl stärker zur Erderwärmung bei als lange angenommen.

Von Benjamin von Brackel

Manche jagen Wild. Manche jagen Verbrecher. Martina Krämer jagt Wolken. Genau genommen Eiswolken. Bevor die 57-Jährige ins Flugzeug steigt, studiert sie die Wettervorhersage und Modelle. Die geben aber nur Anhaltspunkte; niemand weiß, wo die Wolken genau auftauchen werden. Also navigiert Krämer den Piloten, wenn sie im Forschungsflugzeug über Deutschland fliegt. Entdeckt die Atmosphärenforscherin vom Forschungszentrum Jülich eine der dünnen Schleierwolken, pocht ihr Herz etwas schneller. Dann fliegt der Pilot die Maschine von unten vertikal in die Wolke hinein, um den Messgeräten mit Namen wie FISH oder NIXE möglichst lange eine Chance zu geben, Daten einzusammeln: Größe und Zahl der Partikel, Wassersättigung und Eisgehalt sowie den Aggregatszustand der Wolke.

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Wolkenforscher zieht es in ihre Beobachtungsobjekte hinein. Über Eiswolken ist bisher wenig bekannt, über die Klimaschädlichkeit des Fliegens schon mehr. (Foto: Andreas Meier/Flickr)

Für die Eiswolken interessieren sich die Wissenschaftler besonders. Ohne Eis gibt es keinen Regen. Die Eiswolken beeinflussen aber auch das Klimasystem und damit die Erderwärmung. Weil man über sie noch wenig weiß, erschwert das genaue Klimavorhersagen.

Im aktuellen Bericht des Weltklimarats schwankt die Prognose, wie stark sich die Temperaturen erhöhen, wenn wir so weitermachen wie bisher, um ganze zwei Grad. An der Ungenauigkeit haben vor allem die Wolken ihren Anteil. "Wolken sind der wesentliche Unsicherheitsfaktor in den Klimaprognosen", sagt Krämer.

Die Klimaforscher sagen, dass Wolken die Erde insgesamt abkühlen. In den neuesten Bericht haben die Forscher das erste Mal auch ihre rudimentären Kenntnisse über Eiswolken aufgenommen. Im Vergleich zum Bericht sechs Jahre zuvor machte der Kühlungseffekt durch die Wolken auf einmal 30 Prozent weniger aus.

Die kleinste Wolke der Welt befindet sich in Leipzig

Manche Wolken kühlen, andere wärmen. Die dickbauchigen, tiefer hängenden Kumuluswolken reflektieren die Sonnenstrahlung zurück ins All. Man kennt das, wenn sich eine Wolke vor die Sonne schiebt und es im Schatten kälter wird. Die dünnen Zirruswolken in der Höhe lassen die Strahlen der Sonne hingegen weitgehend durch. Strahlt die Erde diese zurück, nehmen die Eiswolken sie auf und schicken sie abermals Richtung Erde. Wie ein Treibhaus heizen die Eiswolken die Atmosphäre auf.

Forscher aus der ganzen Welt arbeiten mit Hochdruck daran, die Unsicherheit in den Klimamodellen zu beheben, die sich durch die Eiswolken ergibt. In einem 16 Meter hohen Laborturm in Leipzig forscht Frank Stratmann an der wohl kleinsten Wolke der Welt. Gerade einmal zwei Millimeter ist sie breit. Der Forscher vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung untersucht sowohl, wie die Wassertröpfchen in der Wolke entstehen, als auch, wie sie gefrieren. In ein sieben Meter langes Strömungsrohr strömt feuchte Luft mit Staubteilchen, während die Luft bis auf minus 45 Grad abgekühlt wird. Damit ist alles vorhanden für die Geburt der Wolke.

Wesentlich dafür sind vor allem die Kleinstteilchen in der Luft, Aerosole. Das kann Mineralstaub aus der Wüste sein, Seesalz aus dem Meer oder Ruß aus Waldbränden und Vulkanausbrüchen – aber auch aus Kraftwerken und Auspuffen. Sie schwirren vor allem in geringeren Höhen in der Luft herum. Und haben einen doppelten Einfluss auf unser Klimasystem: Zum einen puffern sie die Sonnenstrahlen aus dem All ab. Seit 1750 hat sich die Erde aufgrund dieses Effekts dem Weltklimabericht zufolge um 0,9 Grad abgekühlt. Wenn Länder wie China nun beginnen, ihre Fabriken mit Rußfiltern auszustatten, lässt das die Erdtemperaturen steigen.

Die Teilchen, die im Durchschnitt etwa 2.000-mal kleiner als der Punkt am Ende dieses Satzes sind, beeinflussen das Klimasystem aber auch als Geburtshelfer der Wolken. Das passiert so: Steigt Luft auf und kühlt sich in der Höhe ab, nimmt die Luftfeuchtigkeit zu, bis sie 100 Prozent erreicht. Dann kondensiert Wasser um ein Aerosol herum und ein Wolkentropfen entsteht.

Der Mensch beeinflusst die Eigenschaften der Wolken

Bislang ging man davon aus, dass zumindest die Eiswolken nichts mit den festen Teilchen zu tun haben, um die herum sich Wolkentropfen bilden. Stattdessen nahm man an, dass die Zirruswolken allein dadurch entstehen, dass ein unterkühltes flüssiges Partikel selbstständig gefriert. Martina Krämer ist sich inzwischen sicher, dass die alte Lehrmeinung falsch ist – und die festen Aerosole die Hauptrolle bei der Bildung der Zirruswolken spielen. Das ist nicht unwichtig, denn wie sich die Eiswolken bilden, entscheidet darüber, ob sie die Erde wärmen oder kühlen.

Krämer hat mit den Flügen über Mitteleuropa, Brasilien und Australien herausgefunden, dass die Eiskristalle in den Zirruswolken sich vor allem mit festen Partikeln als Kondensationskeimen bilden, weniger mit flüssigen. Das heißt: Auch der Mensch beeinflusst die Bildung der Eiswolken – nicht nur gezielt, sondern vor allem unabsichtlich. Etwa durch Ruß aus Flugzeugabgasen oder durch Wüstenbildung infolge von Abholzung, was mehr Mineralstaub in die Atmosphäre wirbelt.

Trägt der Mensch also noch stärker als bislang gedacht zur Erderwärmung bei? Eiswolken, die sich vor allem aus festen Partikeln bilden, besitzen schließlich weniger, aber größere Eiskristalle – sie lassen die Sonnenstrahlen also leichter Richtung Erde passieren. "Indem der Mensch Partikel in die Atmosphäre einbringt, verändert er die Eisbildung und damit auch die Eigenschaften der Wolken", sagt Stratmann.

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Eiswolken entwickeln eine bizarre Schönheit. Für Forscher sind sie noch weitgehend unverständlich. (Foto: Stefan Schweihofer/Pixabay)

Die Eisbildung durch Aerosole hat allerdings noch einen zweiten Effekt, den Stratmann in seinem Leipziger Wolkenlabor entdeckt hat. Er hat untersucht, wann sich Eis bildet. Das Ergebnis: Erst ab minus 38 Grad kristallisieren auch flüssige Teilchen zu Eispartikeln – wesentlich früher bildet sich Eis um feste Teilchen wie Mineralstaub, Pollen oder Bakterien. Durch die festen Teilchen kann sich eine Eiswolke also schon weiter unten bilden als durch gefrorene Tröpfchen.

Je tiefer aber Zirruswolken wandern, desto weniger erwärmen sie die Erde. Die Unsicherheit bleibt also, viel Forschung ist noch zu tun. Eines aber, sagt Krämer, dürfe man nicht aus dem Auge verlieren: "Die wichtigste Aufgabe bleibt es, CO2 zu reduzieren."

[Erklärung]  
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