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Komplizierte Gebilde

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 19.06.2009 12:54

Wolken bereiten Klimaforschern und Atmosphärenphysikern gehörige Kopfzerbrechen, weil sie für widersprüchliche Effekte verantwortlich sind. So ist ihr Einfluss auf das Klima kaum einzuschätzen, weil sie sowohl als Sonnenschirm gegen einstrahlende Sonnenenergie dienen, als auch als Isolierschicht die von der Erdoberfläche zurückgestrahlte Wärme in der Atmosphäre halten. Vergleichbar zwiespältig sind die Ergebnisse, wenn Forscher feststellen wollen, unter welchen Umständen sie das in ihnen gespeicherte Wasser als Niederschlag abgeben, oder doch lieber mit ihm in höheren Atmosphärenschichten entschwinden. Ein internationales Forscherteam erklärt jetzt in der aktuellen „Science“ die zugrundeliegenden Mechanismen.

WolkentypenWolken entstehen, wenn sich in der Atmosphäre Wassermoleküle um so genannte Kristallisationskeime scharen und Tropfen oder Eiskristalle bilden. Wenn diese Tropfen groß genug geworden sind, fallen sie aufgrund der Schwerkraft zur Erdoberfläche, es regnet, hagelt oder schneit. Der entscheidende Punkt sind die Kristallisationskeime, denn ohne sie bleibt das Wasser als Dampf weitgehend gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt. Als Kristallisationskeim dienen so genannte Aerosole. Darunter versteht man alles, was irgendwie partikelförmig in der Luft schwebt, das können Salzkristalle aus dem Meerwasser sein oder Staubkörnchen aus der Sahara, aber auch die unüberschaubare Masse an Verbrennungsrückständen aus Automotoren, Kraftwerken und Heizungen. „Die Menge der Aerosole steuert, wie die im Endeffekt von der Sonne kommende Energie in der Atmosphäre verteilt wird“, erklärt der Hauptautor der Studie, Daniel Rosenfeld, Professor für Atmosphärenphysik an der Hebräischen Universität in Jerusalem.

Diese Aerosolmenge ist auch dafür entscheidend, ob Wolken abregnen oder in höhere Sphären entschweben, ohne ihre Last abzuladen. „Es kommt darauf an, wie viele Aerosole es sind“, so Koautor Meinrat Andreae, Direktor der Abteilung Biogeochemie am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz. Von der Partikelzahl hängt die Energieverteilung in der Atmosphäre ab, die für die Verdunstung von Wasser und den Transport von Luftmassen benötigt wird. Ist die Atmosphäre ziemlich sauber, hat aber eine hohe Luftfeuchtigkeit, kondensiert viel Wasser rapide an den wenigen Keimen und es bilden sich sehr schnell Regenwolken, die abregnen. Die bei der Kondensation freigesetzte Wärme reicht nicht aus, die Wolken aufsteigen zu lassen, weil das Gewicht der Regentropfen der Schwerkraft nachgibt. Das ist in den Regenwäldern in Südostasien oder am Amazonas zu beobachten, wo es tagtäglich zu regelmäßigen Niederschlägen kommt. Steigt die Partikelzahl an, so bilden sich kleinere Tropfen, die nicht sofort wieder abregnen, sondern erst in der Atmosphäre aufsteigen. Die Physiker sagen dazu, die Wolken reifen.

WolkenturmBei ihnen überwiegt der Auftrieb wegen der Energieabgabe bei der Kondensation zunächst über die Schwerkraftwirkung auf die Tropfen. Irgendwann einmal erreichen die Wolken die Atmosphärenschicht, in der Wasser gefriert, aus Tropfen werden Eiskristalle, die noch höher steigen können. Solche Wolken regen einerseits die Zirkulation der Atmosphäre an und sie verteilen die gespeicherte Flüssigkeit über größere Gebiete. Irgendwann fordert die Schwerkraft nämlich doch ihren Tribut und die Kristalle werden durch fortgesetzte Anlagerung von Wassermolekülen zu schwer. Die Folge: auch diese Wolken regnen ab. Mit solch großräumigen Kreisläufen sorgen Wolken mit mittlerer Aerosolzahl für die höchsten Regenfälle, aber auch für heftigere Erscheinungen wie Starkregen und Stürme.

Steigt die Partikeldichte dann aber noch weiter an, schlägt die Wirkung ins negative um. Denn dann bilden sich so feine Wassertropfen oder Eiskristalle, dass sie der Schwerkraft größtenteils ein Schnippchen schlagen können. Sie ballen sich nicht zu Wolken zusammen, sondern steigen als feine Schleier hoch hinauf und verdunsten schließlich anstatt abzuregnen. Dabei entziehen sie der Atmosphäre Energie. Die Folge: die Zirkulation der Luftmassen schwächt sich ab oder schläft vollkommen ein, so dass Regen ausbleibt. Die Wissenschaftler um Rosenfeld und Andreae haben errechnet, dass die optimale Konzentration von Kondensationskeimen bei 1200 pro Kubikzentimeter liegt. Bis zu diesem Wert sorgt jeder zusätzliche Keim dafür, dass mehr Energie freigesetzt wird, um die Wolkenzirkulation anzuregen. Jenseits dieses Wertes bremst jeder zusätzliche Keim die Energiefreisetzung.

Waldbrände auf Indonesien, September 1997Reine Luft über dem Ozean enthält im Durchschnitt 500 Keime pro Kubikzentimeter. Da nicht jedes Aerosolpartikel als Kondensationskeim taugt, gibt es über dem offenen Meer viel zu wenige Keime, um nennenswerte Wolken zu erzeugen. Über Land werden selbst in sauberer Luft 2000 Aerosolpartikel gezählt, so dass man dem Optimum schon recht nahe kommt. Verschmutzte Luft allerdings enthält etwa 10.000 Partikel, über Städten wurden bereits 100.000 Partikel pro Kubikzentimeter gemessen. Damit verhindern sie effektiv die Bildung von Wolken und damit Niederschlag. „Mit unseren Ergebnissen können wir die Auswirkungen von Aerosolen in den Klimamodellen besser vorhersagen“, so Meinrat Andreae.

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