Erstes Klimaexperiment im Teilchenbeschleuniger am CERN

Natürliche Aerosolpartikel wie Seesalzpartikel oder Sandstaub reflektieren in der Atmosphäre Sonnenlicht und sorgen dafür, dass sich Wolkentröpfchen bilden können. Neben den natürlichen Aerosolteilchen gibt es eine Vielzahl von Partikeln, die durch Menschen in die Atmosphäre gelangen. Ein Teil der Partikel entsteht durch die Zusammenlagerung von Molekülen dort erst neu. In Klimamodellen hat man diese sogenannte Nukleation bisher durch Korrekturen aus theoretischen Berechnungen berücksichtigt oder man hat die Ergebnisse nachträglich an Beobachtungen angepasst. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse sind vage. Durch das neue CLOUD-Experiment liegen erstmals exakte experimentelle Daten zur Nukleation vor. Damit lassen sich nun die Unsicherheiten von Klimamodellen erheblich verringern.

Schwefelsäure- und Ammoniakdämpfe

Wie ein internationales ForscherInnenteam unter Mitwirkung von PhysikerInnen der Universität Wien in der Fachzeitschrift "Nature" berichtet, sind Schwefelsäure- und Ammoniakdämpfe, die bisher als wahrscheinlichste Kandidaten für die Nukleation in der Atmosphäre galten, nicht ausreichend, um die beobachteten Effekte zu erklären. Paul Wagner, stellvertretender Gruppensprecher der Aerosolphysik und Umweltphysik an der Fakultät für Physik, betont: "Die Nukleationsvorgänge in der Atmosphäre können nur durch Experimente unter präzise kontrollierten Bedingungen aufgeklärt werden." Die ersten Resultate von CLOUD zeigen, dass bei den durchgeführten Experimenten nur ein Zehntel bis ein Tausendstel der in der untersten Atmosphäre gemessenen Nukleationsraten beobachtet wurde. Somit ist klar, dass die Beschreibung der Aerosolnukleation in Atmosphären- und Klimamodellen umfassend revidiert werden muss. Gesucht wird nun nach weiteren chemischen Verbindungen, die zur Nukleation und ihren Effekten beitragen.

Kosmische Strahlung und ihre Auswirkung auf unser Klima

Ein weiteres wichtiges Ergebnis von CLOUD ist, dass die von der kosmischen Strahlung verursachte Ionisation der Atmosphäre die Nukleation bis zum Zehnfachen verstärkt. Dieser Effekt ist insbesondere bei den kalten Temperaturen der mittleren und oberen Troposphäre ausgeprägt. Dort wird die Nukleation bereits durch Schwefelsäure- und Wasserdampf ausgelöst, ohne dass weitere Substanzen notwendig sind. Ob kosmische Strahlen einen signifikanten Einflussfaktor für das Klima darstellen, hängt aber letztlich davon ab, welche anderen Substanzen an der Nukleation beteiligt sind und wie sie von Ionen beeinflusst werden. Ziel ist es herauszufinden, ob die Verbindungen aus von Menschen verursachten oder natürlichen Quellen stammen. Darüber hinaus soll untersucht werden, inwieweit die Aerosolnukleation die Eigenschaften der Wolken im Endeffekt verändert.

Klimaexperiment im Teilchenbeschleuniger

CLOUD ist das erste Klimaexperiment, das die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugten Teilchen nutzt, um den Einfluss der kosmischen Höhenstrahlung auf die Bildung neuer Aerosolpartikel zu untersuchen. Die speziell für diesen Zweck entwickelte Kammer besteht aus einem vier Meter hohen Zylinder, in dem die ForscherInnen Aerosolpartikel und Wolken unter kontrollierten Bedingungen entstehen lassen. Temperatur, relative Feuchte, Ionisierung und die Konzentrationen der Spurengase lassen sich extrem genau kontrollieren. Das Maß an störenden und die Messung verfälschenden Verunreinigungen kann geringer gehalten werden als in allen bisherigen Experimenten. CLOUD verwendet die weltweit beste Instrumentierung, um die extrem niedrigen Konzentrationen der Spurengase genau zu messen. ForscherInnen der Universität Wien haben in Kooperation mit mehreren ausländischen Forschungsinstituten durch Einsatz einer Batterie von Kondensationspartikelzählern die Anzahlkonzentration der in der CLOUD-Messkammer entstehenden Aerosolpartikel experimentell bestimmt. Ferner waren sie an der Entwicklung eines neuartigen faseroptischen UV-Systems zur Herstellung von Schwefelsäuredampf beteiligt.

Besonders interessant ist, dass Nukleationsprozesse unter verschiedenen Bedingungen miteinander verglichen werden können. Denn Spurengase werden einerseits durch die natürliche kosmische Strahlung ionisiert. Andererseits lässt sich eine zusätzliche Ionisierung mit Hilfe eines Pionen-Strahls vom Teilchenbeschleuniger des CERN erzeugen. Auch eine Messung, bei der die Einflüsse der Ionen vollständig unterdrückt werden, ist möglich. (vs)

Das Paper "Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation" (AutorInnen: Kirkby et al) erschien am 25. August 2011 in der Fachzeitschrift "Nature".