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Simulation: Wie entstehen Wolken wirklich?

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Autor: Charlotte Quick

Simulation: Wie entstehen Wolken wirklich?
In der CLOUD-Kammer am CERN werden unter genau kontrollierten Bedingungen die Prozesse der Aerosolbildung in kalten Regionen der Atmosphäre nachgestellt. Mit hochsensitiven Messgeräten, die um die Kammer herum aufgebaut sind, werden die verschiedenen Spurengase und die für die Experimente neugebildeten Aerosolpartikel nachgewiesen. © CERN
25.10.2022 Ι CLOUD-Projekte erforschen am CERN die Entstehung von Aerosolpartikeln und Wolken sowie deren Einfluss auf das Klima. Gefördert werden die Projekte vom BMBF.

Wolken spielen eine entscheidende Rolle im Klimasystem. Sie erzeugen Niederschlag und erwärmen die Atmosphäre, wenn Wasserdampf kondensiert. Zudem haben sie einen starken Einfluss auf die Energieflüsse, sowohl der Sonnen- als auch der Infrarotstrahlung. Gerade vor dem Hintergrund des Klimawandels stellt sich der Forschung eine drängende Frage: Wie verändern sich Wolken, wenn sich das globale Klima verändert?

Neue Förderphase für Projekte beginnt

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert seit 2009 das Verbundprojekt CLOUD. Die Projekte starten im September in die nächste Förderphase. In den kommenden drei Jahren werden Wissenschaftler:innen am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung, den Fragen nach der Entstehung von Wolken und deren Auswirkungen auf das Klima auf den Grund gehen.

Ziel der Projekte ist es, Forschungsergebnisse darüber zu gewinnen, wie Wolken unter realen Bedingungen entstehen. Diese Entstehungsprozesse werden anschließend in Klimamodelle überführt, womit die Simulationsergebnisse von Klimaszenarien verbessert werden. Im Verbundprojekt arbeiten Forschende der Goethe-Universität Frankfurt am Main, des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

 „Insbesondere sind wir daran interessiert, wie sich flüssige und eisförmige Wolken und wie sich neue Aerosolpartikel bilden. Aerosolpartikel sind kleine flüssige oder feste Partikel wie etwa Staubkörnchen, die in der Luft schweben. Sie dienen als sogenannte Kondensationskeime für die Wolkenbildung. Ohne diese Teilchen kann keine Kondensation stattfinden”, so Prof. Dr. Joachim Curtius, Universität Frankfurt.

Besondere Laborbedingungen optimieren die Forschung

In der 26 Kubikmeter großen CLOUD-Kammer erzeugt das Projektteam eine künstliche Atmosphäre. Dies gelingt ihm, indem reine Luft erzeugt und dann Spurengase wie Wasserdampf, Ozon, Ammoniak und Schwefelkomponenten hinzugibt und das UV-Licht der Sonne simuliert. Eine Besonderheit der Kammer ist, dass mit Hilfe eines Elementarteilchenstrahls die Wirkung der kosmischen Strahlung auf die atmosphärischen Prozesse untersucht werden kann.

In dem Projekt legen die Forschenden den Fokus auf die Simulation von Regionen, in denen sehr tiefe Temperaturen vorherrschen. Dazu zählen etwa die Arktis, das Südpolarmeer, aber auch die Atmosphäre von acht bis zwölf Kilometern Höhe. Für diese Regionen wollen die Wissenschaftler:innen herausfinden, was die entscheidenden chemischen Komponenten sind, die für die Neubildung von Aerosolpartikeln verantwortlich sind. Denn diese Neubildung wurde in diesen kalten Regionen immer wieder von der Forschung beobachtet.

Aus den Messungen können die Forschenden in späteren Simulationen verschiedene Temperaturen und Kombinationen von Spurengasen vorgeben. Sie können zudem vorhersagen, welche chemischen Reaktionen sich wie schnell und wie viele neue Aerosolpartikel sich in der Atmosphäre bilden.

„Unser Team möchte herausfinden, welche Rolle die menschengemachten Emissionen für diese Prozesse spielen – im Vergleich zu natürlich vorkommenden Substanzen”, erklärt Prof. Dr. Joachim Curtius. „Die Ergebnisse dürften viel zu unserem grundlegenden Verständnis von Aerosolen, Wolken und deren Auswirkungen auf das Klima beitragen.”

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