Man kann sich unsere Atmosphäre wie ein großes Chemieset vorstellen, ein globales Durcheinander von gasförmigen Molekülen und Partikeln, die ständig aneinander prallen und sich gegenseitig auf komplizierte Weise verändern. Obwohl die Partikel sehr klein sind, oft weniger als 1 % der Dicke eines menschlichen Haares, haben sie enorme Auswirkungen. Partikel sind beispielsweise die Keime von Wolkentröpfchen, und ihre Häufigkeit verändert die Reflektivität und die Menge der Wolken, den Niederschlag und das Klima.
Nun haben Forscher der Washington University in St. Louis etwas Neues am Himmel entdeckt: einen Mechanismus, der einen großen Teil der Partikel in der Erdatmosphäre erzeugt.
Die Studie wurde veröffentlicht im Wissenschaft Die in diesem Monat durchgeführte Studie wurde von Jian Wang geleitet, Professor und Direktor des Center for Aerosol Science and Engineering an der WashU. Zum Forschungsteam gehören Lu Xu, Assistenzprofessor in der Abteilung für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering der WashU, sowie Wissenschaftler von NASA, NOAA, NCA und europäischen Universitäten.
Die herkömmliche Annahme war, dass die meisten Partikel in Wolkenausflussregionen entstehen, wo Wolken in die obere Troposphäre aufsteigen und schließlich verdunsten. Bei diesem Prozess werden die Wolken ausgewrungen und die meisten Partikel durch Regen entfernt. Infolgedessen ist die Luft in den Ausflussregionen klar und sauber, und einige Gasmoleküle können nirgendwo anders hin, als neue Partikel zu bilden.
„Anhand der Daten, die wir bei den globalen Flugzeugmessungen der NASA gesammelt haben, stellten wir jedoch fest, dass die meisten neuen Partikel nicht in den Ausflussregionen entstehen, wie bislang angenommen“, sagte Wang.
Während sie über diese überraschende Beobachtung rätselten, entdeckten Wang und seine Kollegen schließlich einen völlig anderen Mechanismus: Dieser tritt ein, wenn sich stratosphärische und troposphärische Luft vermischt und dadurch günstige Bedingungen für die Partikelbildung entstehen.
„Die Luft in der Stratosphäre sinkt aufgrund des mäandernden Jetstreams oft in die Troposphäre ab. Wenn sich die ozonreiche Stratosphärenluft mit der feuchteren Troposphärenluft vermischt, entsteht eine hohe Konzentration des Hydroxylradikals (OH), ein wichtiges Oxidationsmittel, das bei der Produktion der Moleküle hilft, die neue Partikel bilden“, sagte Jiaoshi Zhang, Erstautor der Studie und Wissenschaftler in Wangs Labor.
„Wir haben festgestellt, dass dieses Phänomen weltweit weit verbreitet ist und wahrscheinlich häufiger auftritt als die Partikelbildung in den Wolkenausflüssen“, fügte er hinzu.
Um die Bedeutung dieses neu entdeckten Mechanismus der Partikelbildung zu bestätigen und weiter zu quantifizieren, sind künftige Feldbeobachtungen und Modellstudien erforderlich. Natürlich tragen Menschen ihre eigenen Partikel in Form von Luftverschmutzung bei, aber Wang sagte, dass es sich bei der Entdeckung dieser Forschung um einen natürlichen Prozess handelt, der auf der ganzen Welt stattfindet, sogar in abgelegenen und unberührten Regionen.
Es gebe auch Hinweise darauf, dass die Stratosphärenluft in Zukunft häufiger in die Troposphäre abdriften werde, sodass dieser Mechanismus noch wichtiger werden könnte, sagte Wang. Die Berücksichtigung dieses bislang unbekannten Prozesses könne Klimamodelle verbessern und dabei helfen, den Klimawandel besser zu simulieren und das zukünftige Klima vorherzusagen.
„Obwohl uns die Beobachtung zunächst verwirrte, war sie, als wir alles zusammenfassten, nicht mehr so überraschend“, sagte Wang.
„Es ist bekannt, dass Moleküle, die neue Partikel bilden, durch Oxidation in der Atmosphäre entstehen. Wenn sich die Luft in der Stratosphäre und der Troposphäre vermischt, ist die OH-Konzentration sehr hoch und die Partikelbildung ist vorprogrammiert.“
Mehr Informationen:
Jiaoshi Zhang et al., Stratosphärische Lufteinbrüche fördern die Bildung neuer Partikel im globalen Maßstab, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adn2961