Das wimmelnde Leben im Südpolarmeer, das die Antarktis umgibt, trägt laut einer heute in veröffentlichten Studie dazu bei, die sich dort bildenden Wolken aufzuhellen Atmosphärische Chemie und Physik. Die Wolken sind aufgrund ihrer hohen Dichte an Wassertröpfchen hell, was wiederum auf eine Kette von atmosphärischen Prozessen zurückzuführen ist, die schließlich mit der außergewöhnlichen Phytoplanktonproduktivität des Südlichen Ozeans verbunden sind.
Die Studie hilft uns, die natürlichen Prozesse der Wolkenbildung besser zu verstehen, sagt Gerald „Jay“ Mace, Professor für Atmosphärenwissenschaften an der University of Utah und Hauptautor der Studie.
„Wir können dieses Wissen nutzen, um unser Verständnis darüber zu verbessern, wie Wolken das Sonnenlicht weltweit reflektieren“, sagt Mace. „Das wiederum ist der Schlüssel, um vorherzusagen, wie stark sich die Erde erwärmt und wie sich Niederschlagsmuster ändern.“
Wolken und Aerosole
Wolken, mit all ihrer traumhaften Hauch- oder Flauschigkeit, bestehen eigentlich nur aus Wassertropfen und Eiskristallen. Diese Tröpfchen entstehen, wenn Wasserdampf um etwas in der Atmosphäre kondensiert, wie ein Aerosolpartikel, das auch als „Wolkenkondensationskern“ bezeichnet wird.
„In den meisten Situationen ist die Wassermenge, die zur Kondensation zu einer Wolke zur Verfügung steht, festgelegt“, sagt Mace. „Die Anzahl der Tröpfchen, die sich dann aus dieser festgelegten Wasserdampfmenge bilden, hängt von der Anzahl der vorhandenen Aerosolpartikel ab.“
In Fällen, in denen ein Bereich der Atmosphäre eine hohe Anzahl von Aerosolen enthält, haben sich bildende Wolken also viele Wolkenkondensationskerne zur Verfügung. Die Dichte der Wolkentröpfchen oder die Anzahl der Tröpfchen pro Volumen der Wolke ist ebenfalls hoch.
Es ist diese Tröpfchendichte, die Mace und seine Kollegen, darunter Wissenschaftler von CSIRO Oceans and Atmosphere in Australien und der University of Tasmania, in den Wolken des Südlichen Ozeans untersuchen wollten.
Anhand von Satellitendaten untersuchten die Forscher die Eigenschaften von Wolken im Südpolarmeer in den Sommern zwischen 2014 und 2019. Sie untersuchten speziell eine Region zwischen Madagaskar und Neuseeland, in der Forschungsschiffe und -flugzeuge im Sommer 2017-2018 unterwegs waren. Die Daten vor Ort aus diesen Forschungsmissionen unterstützten die Satellitenbeobachtungen.
Bei der Untersuchung der Wolkentrends arbeiteten die Forscher daran, zu bestimmen, wohin die Wolken gereist waren, bevor sie im „Luftraum“ um die Antarktis ankamen. Sie bemerkten einen signifikanten Unterschied zwischen zwei Wolkengruppen. Wolken mit relativ geringer Tröpfchendichte sind höchstwahrscheinlich aus nördlicheren Breiten eingewandert, wo Salz in der Luft durch das Versprühen von Ozeanwasser einer der primären Wolkenkondensationskerne ist.
Aber Wolken mit relativ hohen Tröpfchendichten dürften eher über dem antarktischen Kontinent entstanden sein und nur über den Gewässern des Südlichen Ozeans gezogen sein. Der Hauptunterschied zwischen den Quellgebieten der beiden Wolkengruppen war die Planktonproduktivität im Südpolarmeer.
Das Plankton, das im kalten, nährstoffreichen antarktischen Wasser reichlich wächst, setzt im Rahmen seines Stoffwechsels Sulfatgase frei. In der relativ ruhigen Sommerluft des Südlichen Ozeans können diese Gase zu atmosphärischen chemischen Reaktionen führen, die Aerosole bilden.
„Der gesamte zirkumpolare Ozean ist hochproduktiv, sodass es eine riesige Aerosolquelle gibt, die ihren Weg findet, um zu Wolkentröpfchen zu werden“, sagt Mace. „Dieses Aerosol wird auch nach Norden transportiert, und der gesamte Südliche Ozean bis hin zu den Subtropen erfährt einen saisonalen Zyklus der Wolkeneigenschaften. Dieser saisonale Zyklus scheint in den Gewässern um die Antarktis viel größer zu sein, was dazu führt, dass die Wolken eine viel höhere Tröpfchenzahl haben. und dadurch das Sonnenlicht besser reflektieren.“
Dieses Reflexionsvermögen, auch Albedo genannt, ist in den Wolken in Breitengraden, die der Antarktis am nächsten liegen, südlich von etwa 60° S, deutlich höher als in Wolken, die sich weiter nördlich gebildet haben, stellte die Studie fest.
Saubere Luft studieren
Der Südliche Ozean bietet eine ideale Umgebung, um natürliche Wolkenbildungsprozesse zu untersuchen, da er atmosphärisch vom Rest der Welt isoliert ist. Das bedeutet, dass es frei von Aerosolen ist, die durch anthropogene (vom Menschen verursachte) Aktivitäten entstehen.
„In der Wissenschaft suchen wir nach kontrollierten Experimenten, bei denen alle Fremdvariablen aus einem Experiment entfernt werden, um den interessierenden Prozess zu isolieren“, sagt Mace. „Der Südliche Ozean ist wie ein kontrolliertes Experiment, bei dem ein Großteil der Variabilität aufgrund anthropogener und kontinentaler Einflüsse aus dem Experiment entfernt wird.“
Der Südliche Ozean spielt auch eine Schlüsselrolle für das Klima des Planeten. Die Produktivität von Plankton hilft dem Südlichen Ozean, Kohlendioxid aus der Luft zu ziehen und es in der ozeanischen Nahrungskette zu „binden“. Aber die Produktivität des Ozeans hängt davon ab, wie viel Sonnenlicht seine Gewässer erhalten – was wiederum mit dem Reflexionsvermögen der Wolken und der Tröpfchendichte der Wolken zusammenhängt. Es ist ein Prozess, der sich in allen Ozeanen der Welt abspielt, sagt er, aber im Südpolarmeer wegen seiner Isolation von anderen Aerosolquellen ausgeprägter ist.
„Weil die Anzahl der Wolkentröpfchen von der Biologie des oberen Ozeans abhängt“, sagt Mace, „schließt sich der Kreis.“
Mace und seine Kollegen müssen im Naturlabor des Südlichen Ozeans noch mehr lernen, einschließlich eines kürzlich angekündigten Projekts, das auf Tasmaniens Kennaook/Cape Grim basiert.
Mehr Informationen:
Gerald G. Mace et al., Natürliche Meereswolkenaufhellung im Südpolarmeer, Atmosphärische Chemie und Physik (2023). DOI: 10.5194/acp-23-1677-2023