In der oberen Troposphäre lagern sich Gasmoleküle zu Kondensationskeimen für die Wolkenbildung zusammen. Die geschieht besonders über der asiatischen Monsunregion, in der viel Ammoniak aus der Viehzucht und von Düngemitteln freigesetzt wird

Chemisches Trio bildet Wolkenkeime

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Zusammenwirken von Salpetersäure, Schwefelsäure und Ammoniak in der oberen Troposphäre lässt Aerosolpartikel entstehen

Aerosolpartikel spielen als Kondensationskeime eine massgebliche Rolle bei der Entstehung von Wolken. Ein internationales Forschungsteam, dem auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemie und des Climate and Atmosphere Research Centers (CARE-C) am Cyprus Institute in Nikosia angehören, hat einen neuen Mechanismus für die Bildung und das Wachstum von Partikeln in der oberen Troposphäre entdeckt. Durch Experimente in der Wolkenkammer des europäischen Forschungszentrums CERN und Computermodelle stiessen die Wissenschaftler auf einen unerwarteten Synergieeffekt von drei Gasen. Das Zusammenspiel von Salpetersäure, Schwefelsäure und Ammoniak bildet besonders effizient neue Partikel. Die Bildung hängt von der Verfügbarkeit von Ammoniak ab. Vor allem in der asiatischen Monsunregion, in der Ammoniak aus landwirtschaftlichen Emissionen reichlich vorhanden ist, könnte die Entstehung neuer Partikel massgeblich auf diesen Mechanismus zurückzuführen sein.

Die reichliche Menge atmosphärischer Aerosolpartikel beeinflusst das Klima der Erde, indem sie das Sonnenlicht reflektieren und zahlreiche, dennoch kleine Wolkentröpfchen bilden, wodurch die Wolken heller und langlebiger sein können. Die Partikel werden beispielsweise von Vulkanen oder durch Luftverschmutzung freigesetzt. Eine weitere, sehr bedeutsame Quelle für Wolkenkondensationskeime befindet sich in der oberen Troposphäre. Dort ballen sich reaktive Gasmoleküle zusammen und bilden neue Partikel. Trotz der Bedeutung der Vorläufergase ist ihre Rolle noch nicht gut verstanden.

Eine Gruppe von 75 internationalen Forschenden hat nun einen neuen Weg entdeckt, wie atmosphärische Aerosolpartikel entstehen. Sie führten dazu Experimente in der Wolken-Kammer CLOUD des europäischen Forschungszentrums CERN in der Schweiz durch, in der die Verhältnisse der oberen Troposphäre unter kontrollierten Bedingungen nachgestellt wurden. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zusammenwirken von Salpetersäure (HNO3), Schwefelsäure (H2SO4) und Ammoniak (NH3) Partikel bilden. Was die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor allem überraschte: Die Partikel bilden sich um Grössenordnungen schneller, wenn alle drei Gase vorhanden sind, als wenn eines von ihnen fehlt. Offenbar hängt der Mechanismus von der Verfügbarkeit von Ammoniak ab, einem Spurengas, das vor allem aus der Viehzucht und von Düngemitteln freigesetzt wird.

Partikel bilden sich um Grössenordnungen schneller

„Die Nukleation, also die Wolkenkeimbildung durch Salpetersäure, Schwefelsäure und Ammoniak scheint die wichtigste Quelle neuer Partikel in Gebieten der oberen Troposphäre zu sein, in denen Ammoniak und andere Vorläufergase effektiv durch Gewitterwolken transportiert und freigesetzt werden. Dies ist zum Beispiel über der asiatischen Monsunregion der Fall", erklärt Jos Lelieveld, Professor am CARE-C des Cyprus Institutes, und Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie. Das deckt sich mit Ergebnissen einer kürzlich durchgeführten Studie mit Flugzeugmessungen. Sie hatte gezeigt, dass es in der Asiatischen Tropopausen-Aerosolschicht (ATAL), die sich über dem Nahen Osten und einem Grossteil Asiens in 12 bis 18 Kilometern Höhe erstreckt, reichlich Ammoniumnitratpartikel gibt. Bislang ging man davon aus, dass Ammoniak durch Regen in den Monsunwolken effizient ausgewaschen wird.

Nach den Untersuchungen in der Wolkenkammer wandelten die Forschenden die gemessene Daten in Parameter um und setzten diese in ein globales Aerosol-Klimamodell ein. Die Simulationen zeigen, dass sich die Partikel bis in die mittleren Breiten der Nordhalbkugel ausbreiten und das Klima unserer Erde auf interkontinentaler Ebene beeinflussen können.

„Obwohl die Ammonium-Nitrat-Sulfat-Partikel lokal gebildet werden, können sie über den subtropischen Jetstream in wenigen Tagen von Asien nach Nordamerika gelangen", erklärt der Physiker und Klimamodellierer Theodoros Christoudias vom CARE-C des Cyprus Institutes. „Dadurch können diese Partikel in einem interkontinentalen Gürtel verweilen, der mehr als die Hälfte der mittleren Breiten der Nordhalbkugel abdeckt", sagt er.

Die Versuchs- und Modellierungsergebnisse von CLOUD können in die politische Regulierung anthropogener Luftverschmutzung einfliessen. Zudem können sie globale Modelle zur Vorhersage künftiger Klimaveränderungen verbessern.

Literatur:

  • Wang, M. et al. Synergistic HNO3–H2SO4–NH3 upper tropospheric particle formation. Nature, volume 605, S. 483–489 (2022)

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