Dem „Saatgut“ von Wolken auf der Spur: Forscher haben neue Einblicke darin gewonnen, wie aus pflanzlichen Ausdünstungen Kondensationskeime in der Atmosphäre entstehen. Sie konnten dabei nun die bedeutende Rolle einer speziellen Version dieser Kohlenwasserstoffe für die Wolkenbildung aufzeigen. Da durch Klimawandel-Folgen mit einem Anstieg der Freisetzung dieser pflanzlichen Substanzen zu rechnen ist, könnten die Ergebnisse eine Bedeutung für klimatische Vorhersagemodelle besitzen, sagen die Wissenschaftler.
Es wird immer wärmer – darüber sind sich Klimaforscher weitgehend einig. Doch wie genau sich die steigenden Treibhausgasgehalte der Atmosphäre sowie Rückkopplungseffekte im Klimasystem auf die weitere Entwicklung auswirken werden, bleibt schwer einzuschätzen. Das liegt daran, dass noch immer einige Faktoren im komplexen Klimageschehen nicht ausreichend geklärt sind. Buchstäblich nebulös ist dabei auch, wie sich die irdische Bedeckung mit Wolken in Zukunft entwickeln wird. Dabei handelt es sich jedoch um einen wichtigen Faktor, der in komplexer Weise das Klima beeinflusst.
Der Erforschung der Prozesse der Wolkenbildung widmen sich bereits seit einigen Jahren Wissenschaftler im Projekt CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets). Wie sie erklären, sind zur Bildung der Wassertröpfchen sogenannte Kondensationskeime in der Luft nötig. Es handelt sich dabei um Partikel, an denen der Wasserdampf kondensieren kann. Diese sogenannten Aerosole haben nur einen Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikrometer und besitzen natürliche oder menschlich verursachte Ursprünge. Es kann sich etwa um aufgewirbelte Bodenpartikel handeln oder um Stoffe aus der Luftverschmutzung. Etwa die Hälfte der Kondensationskeime entsteht aber erst in der Luft, indem sich bestimmte gasförmige Moleküle zu festen Partikeln verbinden. Auch für diese sogenannte „Nukleation“ können natürliche und menschliche Grundsubstanzen verantwortlich sein.
Pflanzliche Ausdünstungen im Visier
Vor allem aus der Verbrennung von Kohle und Öl stammt dabei das Schwefeldioxid. Zu den wichtigsten flüchtigen Substanzen natürlichen Ursprungs gehören wiederum unterschiedliche Vertreter der Terpene – Kohlenwasserstoffe, die von der Vegetation freigesetzt werden. Wir können diese Stoffe auch manchmal mit der Nase wahrnehmen: Sie sind unter anderem für den typischen Geruch des Waldes verantwortlich und werden von Pflanzen bei Stress intensiver verströmt. Das CLOUD-Team hat in früheren Forschungsarbeiten bereits gezeigt, dass pflanzliche Monoterpene und das Terpen Isopren eine Rolle bei der Bildung von Kondensationskeimen spielen.
Nun standen hingegen erstmals die sogenannten Sesquiterpene im Fokus. Sie sind zwar in deutlich geringeren Konzentrationen in der Luft vorhanden als die beiden anderen pflanzlichen Terpen-Substanzen. Doch ihr komplexer Aufbau ließ vermuten, dass sie eine besonders intensive Wirkung haben könnten. Diesem Verdacht ging das Team nun durch Untersuchungen in der speziellen Forschungskammer des CLOUD-Projekts am Kernforschungszentrum CERN in Genf nach, in der verschiedene atmosphärische Bedingungen simuliert werden können. „In dieser Klimakammer wird die Untersuchung von Sesquiterpenen auch dann möglich, wenn die geringe Konzentration in der Atmosphäre nachgestellt wird“, sagt Erst-Autorin Lubna Dada vom Paul Scherrer Institut in Villigen.
Seltener – aber besonders effektiv
Wie das Team berichtet, zeichnete sich in den Ergebnissen eine wichtige Rolle der Sesquiterpene bei der Wolkenbildung ab: Dabei entfalten die Substanzen ihren Effekt offenbar durch die Kombination mit den beiden anderen Terpenen: Bei einer nur geringen Zugabe von Sesquiterpen zu einer Mischung aus Isopren und Monoterpen in der Luft kommt es zu einer starken Bildung von komplexen Molekülen, aus denen wiederum sehr effizient Kondensationskeime entstehen, zeigten die Analysen. Letztlich besitzen die Sesquiterpene einen zehnmal intensiveren Effekt auf die Partikelbildung als die anderen beiden organischen Substanzen, sagen die Wissenschaftler. Trotz der geringeren Konzentrationen kommt diesen Pflanzenstoffen demnach ebenfalls eine erhebliche Bedeutung bei der Wolkenbildung zu. „Erklären lässt sich das damit, dass ein Sesquiterpen-Molekül 15 Kohlenstoffatome enthält, während Monoterpene nur zehn und Isopren fünf enthalten“, sagt Dada.
Die Studie zeigt damit nun einen weiteren Faktor auf, durch den die Vegetation Wetter und Klima beeinflussen kann, sagen die Forscher. Dem kommt wiederum eine Bedeutung im Rahmen von Entwicklungen zu, die mit dem Klimawandel verbunden sind: „Zu beachten ist, dass die Konzentration des Kondensationskeime verursachenden Schwefeldioxids in der Luft in den letzten Jahren durch strengere Umweltgesetze deutlich geringer geworden ist und auch weiterhin abnehmen wird“, sagt Dada. „Die Konzentration der Terpene dagegen nimmt zu, weil Pflanzen unter Stress mehr davon freisetzen – beispielsweise, wenn Temperaturen und Wetterextreme zunehmen und die Vegetation häufiger Dürren ausgesetzt ist“, erklärt die Forscherin. Im Hinblick auf Klimaprognosen stellt sich also die Frage, wie sich diese Entwicklungen auf die Wolkenbildung auswirken werden. Dazu können die Ergebnisse nun beitragen. Sie unterstreichen allerdings auch den Bedarf an weiteren Studien, um die Faktoren der Wolkenbildung noch besser zu verstehen, sagen die Forscher.
Quelle: Paul Scherrer Institut, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi5297
Mit Licht gegen Ewigkeitschemikalien
