Wie Bäume die Wolkenbildung beeinflussen

Im Rahmen des internationalen CLOUD-Projekts am Kernforschungszentrum CERN haben Forscher des PSI sogenannte Sesquiterpene – gasförmige Kohlenwasserstoffe, die von Pflanzen freigesetzt werden – als einen wesentlichen Faktor bei der Wolkenbildung identifiziert. Diese Erkenntnis könnte Unsicherheiten in Klimamodellen verringern und dazu beitragen, genauere Vorhersagen zu treffen. Der Studie ist jetzt in der Fachzeitschrift erschienen Wissenschaftliche Fortschritte.

Den neuesten Prognosen des Weltklimarats IPCC zufolge wird das globale Klima bis zum Jahr 2100 um 1,5 bis 4,4 Grad Celsius wärmer sein als vorindustrielles Niveau. Diese Zahl basiert auf verschiedenen Szenarien, die beschreiben, wie sich die anthropogenen Treibhausgasemissionen entwickeln könnten in der Zukunft. Wenn wir es also schaffen, die Emissionen schnell und radikal einzudämmen, können wir im besten Fall das 1,5-Grad-Ziel des Pariser Abkommens noch erreichen.

Im schlimmsten Fall landen wir weit darüber. Allerdings sind solche Prognosen auch mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Im schlimmsten Fall beispielsweise, wenn die Emissionen weiter stark ansteigen, könnte der Temperaturanstieg statt 4,4 Grad nur 3,3 bis 5,7 Grad Celsius betragen.

Diese Unsicherheiten bei der Vorhersage, wie sich die Temperaturen aufgrund der konkreten Entwicklung der Treibhausgasemissionen verändern werden, sind im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass Wissenschaftler noch nicht alle Prozesse vollständig verstehen, die in der Atmosphäre ablaufen – die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen darin enthaltenen Gasen und Aerosolen . Sie zu etablieren, ist das Ziel des CLOUD-Projekts (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), einer internationalen Zusammenarbeit von Atmosphärenforschern am Kernforschungszentrum CERN in Genf. PSI war am Aufbau der CLOUD-Kammer beteiligt und ist Mitglied im Lenkungsausschuss des Projekts.

Das Geheimnis der Wolkenbildung

Insbesondere die Art und Weise, wie sich die Wolkendecke in Zukunft entwickeln wird, bleibt vorerst noch weitgehend unklar. Dies ist jedoch ein Schlüsselfaktor für die Vorhersage des Klimas, da mehr Wolken mehr Sonnenstrahlung reflektieren und so die Erdoberfläche abkühlen.

Um die Tröpfchen zu bilden, aus denen Wolken bestehen, benötigt Wasserdampf Kondensationskerne, feste oder flüssige Partikel, an denen er kondensieren kann. Diese werden durch verschiedenste Aerosole bereitgestellt, winzige feste oder flüssige Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikrometern, die sowohl von der Natur als auch durch menschliche Aktivitäten erzeugt und in die Luft abgegeben werden. Zu diesen Partikeln können beispielsweise Salz aus dem Meer, Sand aus der Wüste, Schadstoffe aus Industrie und Verkehr oder auch Rußpartikel aus Bränden gehören.

Allerdings entstehen etwa die Hälfte der Kondensationskeime tatsächlich in der Luft, wenn sich verschiedene gasförmige Moleküle verbinden und zu Feststoffen werden, ein Phänomen, das Experten „Nukleation“ oder „Neupartikelbildung“ (NPF) nennen. Zunächst sind solche Partikel winzig, kaum größer als ein paar Nanometer, doch mit der Zeit können sie durch die Kondensation gasförmiger Moleküle wachsen und dann als Kondensationskeime dienen.

Treibhausgase, die man riechen kann

Das wichtigste anthropogene Gas, das zur Bildung von Partikeln beiträgt, ist Schwefeldioxid in Form von Schwefelsäure, die hauptsächlich bei der Verbrennung von Kohle und Öl entsteht. Die wichtigsten beteiligten Erdgase sind sogenannte Isoprene, Monoterpene und Sesquiterpene. Dabei handelt es sich um Kohlenwasserstoffe, die hauptsächlich von der Vegetation freigesetzt werden. Sie sind wesentliche Bestandteile der ätherischen Öle, die wir riechen, wenn wir beispielsweise Gras schneiden oder im Wald spazieren gehen. Wenn diese Stoffe in der Luft oxidieren, also mit Ozon reagieren, bilden sie Aerosole.

„Es ist zu beachten, dass die Konzentration von Schwefeldioxid in der Luft in den letzten Jahren aufgrund strengerer Umweltgesetze deutlich zurückgegangen ist und weiter sinken wird“, sagt Lubna Dada, Atmosphärenforscherin am PSI.

„Die Konzentration der Terpene hingegen nimmt zu, weil Pflanzen bei Stress mehr davon freisetzen – zum Beispiel bei steigenden Temperaturen und extremen Wetterbedingungen und wenn die Vegetation häufiger Dürreperioden ausgesetzt ist.“

Die große Frage für die Verbesserung von Klimavorhersagen ist daher, welcher der Faktoren überwiegt und zu einer Zunahme oder Abnahme der Wolkenbildung führt. Um dies zu beantworten, müsste man wissen, wie jeder dieser Stoffe zur Bildung neuer Partikel beiträgt. Über Schwefelsäure ist bereits viel bekannt und auch die Rolle von Monoterpenen und Isopren ist dank Messungen im Feld und Kammerexperimenten wie CLOUD, an denen das PSI beteiligt war, inzwischen besser verstanden.

Sesquiterpene sind selten, aber wirksam

Bisher standen Sesquiterpene nicht im Fokus der Forschung. „Das liegt daran, dass sie ziemlich schwer zu messen sind“, erklärt Dada. „Zum einen, weil sie sehr schnell mit Ozon reagieren, und zum anderen, weil sie deutlich seltener vorkommen als die anderen Stoffe.“

Jährlich werden rund 465 Millionen Tonnen Isopren und 91 Millionen Tonnen Monoterpene freigesetzt, während Sesquiterpene nur 24 Millionen Tonnen ausmachen. Dennoch hat die neue Studie, deren Hauptautor Dada ist, gezeigt, dass diese Verbindungen eine wichtige Rolle bei der Wolkenbildung spielen. Den Messungen zufolge bilden sie bei gleicher Konzentration zehnmal mehr Partikel als die beiden anderen organischen Stoffe.

Um dies festzustellen, nutzten Dada und ihre Co-Autoren die einzigartige CLOUD-Kammer der Europäischen Organisation für Kernforschung, CERN. Die Kammer ist ein abgeschlossener Raum, in dem verschiedene atmosphärische Bedingungen simuliert werden können. „Mit fast 30 Kubikmetern ist diese Klimakammer die reinste ihrer Art weltweit“, sagt Dada. „So rein, dass es uns ermöglicht, Sesquiterpene selbst bei den geringen in der Atmosphäre gemessenen Konzentrationen zu untersuchen.“

Genau das wollte die Studie erreichen. Es wurde entwickelt, um die Bildung biogener Partikel in der Atmosphäre zu simulieren. Genauer gesagt interessierten sich die Forscher für die Untersuchung vorindustrieller Zeiten, als es keine anthropogenen Schwefeldioxidemissionen gab. Dadurch lässt sich die Wirkung menschlicher Aktivitäten besser bestimmen und in die Zukunft projizieren. Doch vom Menschen verursachtes Schwefeldioxid ist in der Natur längst allgegenwärtig. Dies ist ein weiterer Grund, warum nur die CLOUD-Kammer realisierbar war. Es ermöglicht auch die Herstellung einer vorindustriellen Mischung unter kontrollierten Bedingungen.

Hartnäckige Partikel führen zu mehr Wolken

Die Experimente ergaben, dass bei der Oxidation einer natürlichen Mischung aus Isopren, Monoterpenen und Sesquiterpenen in reiner Luft eine große Vielfalt organischer Verbindungen entsteht – sogenannte ULVOCs (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds). Wie der Name schon sagt, sind diese wenig flüchtig und bilden daher sehr effizient Partikel, die mit der Zeit zu Kondensationskeimen heranwachsen können.

Die enorme Wirkung von Sesquiterpenen wurde deutlich, als die Forscher Sesquiterpene in die Kammer gaben, zusammen mit einer Suspension, die nur aus Isoprenen und Monoterpenen bestand. Schon die Zugabe von nur zwei Prozent verdoppelte die Rate der Neubildung von Partikeln. „Dies lässt sich dadurch erklären, dass ein Sesquiterpenmolekül aus 15 Kohlenstoffatomen besteht, während Monoterpene nur aus zehn und Isoprene nur aus fünf bestehen“, sagt Dada.

Einerseits zeigt die Studie einen weiteren Einfluss der Vegetation auf Wetter und Klima auf. Vor allem aber legen die Forschungsergebnisse nahe, dass Sesquiterpene neben Isoprenen und Monoterpenen als separater Faktor in zukünftige Klimamodelle einbezogen werden sollten, um deren Vorhersagen genauer zu machen.

Dies gilt insbesondere vor dem Hintergrund des Rückgangs der atmosphärischen Schwefeldioxidkonzentrationen bei gleichzeitiger Zunahme biogener Emissionen infolge von Klimastress, sodass letzterer für unser zukünftiges Klima voraussichtlich immer wichtiger werden dürfte. Es sind jedoch auch weitere Studien erforderlich, um die Vorhersagen zur Wolkenbildung weiter zu verbessern. Diese sind am Labor für Atmosphärenchemie bereits in Planung.

„Als nächstes“, sagt Imad El Haddad, Gruppenleiter für atmosphärische molekulare Prozesse, „wollen wir gemeinsam mit unseren CLOUD-Partnern untersuchen, was genau während der Industrialisierung geschah, als sich die natürliche Atmosphäre zunehmend mit anthropogenen Gasen wie Schwefeldioxid, Ammoniak und anderen anthropogenen Gasen vermischte.“ organische Verbindungen.“