Von Wolkenmachern zu Wolkenjägern
Reportage über Wolkenforschung im KIT
Blickt man in den windstillen, aber bewölkten Himmel, dann glaubt man leicht, Wolken wären statische Gebilde in der irdischen Atmosphäre, nur Winde könnten sie über den Himmel treiben. Doch diese Vorstellung ist gänzlich falsch. Sie sind das, was der Wolkenforscher Thomas Leisner einen „Strömungsreaktor“ nennt. Es geht darin also auch im Windstillen ausgesprochen turbulent zu, die Teilchen in einer Wolke befinden sich in permanenter Dynamik. Das macht die systematische Erforschung der für das Wettergeschehen so bedeutungsvollen Wolken bis heute ausgesprochen schwierig.
Am besten gelingt das heute unter präzise definierbaren Laborbedingungen, in sogenannten Wolkenkammern. Die liegen derzeit voll im Trend – und mit ihnen die Untersuchung der noch weitgehend ungeklärten Frage, welche Prozesse in der Atmosphäre zur Wolkenbildung führen. Eine dieser Anlagen befindet sich am Karlsruher Institut für Technologie, nach Aussage ihres Chefs, des atmosphärischen Aerosolforschers Thomas Leisner, die weltweit größte ihrer Art: ein zwölf Meter hoher Supergefrierschrank, in dem man Temperaturen zwischen -90 und +60 Grad, einen Druck von 1 Millibar bis zu 1 Bar und Feuchte nach Wissenschaftsbelieben tunen kann.
Wolken im Bereich des Wettergeschehens – also hinauf bis zu einer Höhe von wenigen tausend Metern – entstehen in der Regel jedoch nur, wenn der atmosphärische Wasserdampf an sogenannten Aerosolen, also Schwebeteilchen, kondensiert und damit verflüssigt. Nur unter extrem kalten Bedingungen weit oben in der Atmosphäre kann es dazu kommen, dass Wasserdampf direkt als Eis ausfriert, ohne dass sich erst ein Tropfen bildet. Der Fachmann spricht dann von „Depositionsgefrieren“. So bedeutet Wolkenforschung immer auch die Erforschung von Aerosolen. Erst mit und an ihnen bilden sich winzige Tröpfchen, die wir durch ihr verändertes Brechungsverhalten des Lichtes dann als weiße Wolken am sonst blauen Himmel sehen. Gefrieren diese Tröpfchen – und das tun sie abhängig von der Zusammensetzung der Kristallisationskeime, also der Aerosole, bei unterschiedlichen Gefrierpunkten bis hinunter zu rund -35 Grad Celsius -, dann erst beginnt jener Prozess, der sie anwachsen lässt, zuletzt zu Niederschlag führt und so das Wasser wieder in den irdischen Kreislauf am Boden zurück bringt. Was aber genau bei diesem für Niederschlag so elementaren Gefrierprozess geschieht und warum manche Aerosole besonders gute Gefriereigenschaften haben, andere aber nicht, das scheinen nur auf den ersten Blick einfach beantwortbare Fragen. Da ist zuerst einmal die schiere Masse ganz unterschiedlicher Aerosole in der Atmosphäre. Das Spektrum der Inhaltsstoffe dieser winzigen Partikel reicht von organischen bis zu anorganischen Inhaltsstoffen: So können beispielsweise Pollen, Bakterien, aber auch schwefelhaltige und mineralische Elemente die heterogenen Schwebeteilchen in der Luft bilden. Dorthin kommen sie in der Natur über Bodenerosion, Vulkanismus, Meeresgischt oder Sandstürme, aber auch der Mensch trägt mit den sogenannten anthropogenen Staubquellen inzwischen erheblich dazu bei: industrielle Prozesse, Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber auch Bautätigkeit, Landwirtschaft und Verkehr … Diese vom Menschen produzierten Aerosole haben die Erde, so sagen uns die, die die Vorgänge der Atmosphäre modellieren, durch verstärkte Wolkenbildung bereits „verdunkelt“. Denn klar: Überall da, wo Aerosole sind, entstehen Wolken, und die hindern das wärmende Sonnenlicht daran, zur Erdoberfläche vorzudringen. Sie reflektieren viel Licht wieder in den Weltraum – mit dem Ergebnis: dieses „Mehr“ an Aerosolen und Wolken kühlt die Erde ab. Somit hat diese verstärkte Wolkenbildung im letzten Jahrhundert etwa zehn bis fünfzehn Prozent der vom Menschen produzierten Erderwärmung durch fossile Verbrennung aufgefangen – eine der Aussagen von Leisner in meinem ergänzenden Talk mit ihm.
Science-Talk mit dem Areosolforscher Thomas Leisner
In Experimentalsettings wie am KIT können gezielt eingebrachte Aerosole und ihre spezifischen Wechselwirkungen mit der Luft seit einiger Zeit systematisch untersucht werden – Prozesse lassen sich bis zu dreißig Minuten lang in diesen künstlich erzeugten Wolken verfolgen. Das scheint recht kurz, ist aber für den systematischen Wolkengucker vergleichsweise lang. Denn einzelne Aerosole in der Realität zu beobachten, ist nur weitaus eingeschränkter möglich. Derzeit gibt es nämlich keine Möglichkeit, diese mikroskopisch kleinen Schwebeteilchen bei ihrem recht dynamischen Leben in einer Wolke auch nur kurzzeitig zu „verfolgen“. Im Reallabor sind Wolkenforscher mit wissenschaftlichen Experimenten in Flugzeugen heute darauf beschränkt, einzelne Aerosolteilchen rein quantitativ zu erfassen und dabei zu bestimmen. Schon dafür braucht es ausgeklügelte Apparaturen mit Lasern und Hochgeschwindigkeitskameras, mit denen dann beispielsweise Aussehen und Art einzelner Eiskristalle mit einem Aerosol als Nukleus in extrem kurzen Schnappschüssen von jeweils einer Tausendstel Sekunde dokumentiert werden kann. Das gelingt nur, wenn ein solches Teilchen beim Durchfliegen einer Wolke auf die Messeinrichtung am Flugzeug trifft.
Wie überall in der experimentellen Wissenschaft gibt es auch bei der Wolkenforschung Platz für Zukunftspotenzial. Thomas Leisner beispielsweise wüsste schon, wie ein Experiment aussehen könnte, das das derzeit bestehende Verfolgungs-Manko von Aerosolen in der Luft lösen könnte. Er sieht weniger ein technologisches, als vielmehr ein finanzielles Problem, das dabei bestehe. “Einige zig Millionen Euro” würde so was kosten, schätzt der Experte. Das „so was“ wäre ein Labor auf einem häufig in Wolken liegenden Berggipfel, also da, wo es lohnt, ein stationäres Versuchsfeld einzurichten. Man müsste also schon höher hinauf. Dort ließe sich eine Technologie aufbauen, die der einer SpiderCam entspräche, die heute in Stadien einem Fussball, künftig aber – und schon heute in Leisners Vorstellungswelt – Aerosolen in der Atmosphäre nachjagen. Klar, ein paar spezielle Instrumente für die SpiderCam bräuchte es schon noch oben drauf, denn hier geht es nicht um aufgeblasenes Leder, sondern um Mikro- und Nanoteilchen. Aber solche Messinstrumente, davon ist Leisner fest überzeugt, wären für die Laborversuche ja schon weitgehend verfügbar, müssten also „nur“ zusätzlich auf SpiderCam-Einsatz getrimmt werden. Für den Experimentalphysiker alles kein Hexenwerk. Noch ist der „Wolkenjäger im Gebirge“ Leisners großer Traum, aber “einige zig Millionen Euro” auch wieder nicht so unvorstellbar viel, dass man ihn als wissenschaftliche Phantasterei abtun müsste.
Den Sprechertext zur Reportage gibt’s wie immer bei HYPERRAUM.TV.
Zitat: dieses [durch menschliche Aktivitäten verursachte] „Mehr“ an Aerosolen und Wolken kühlt die Erde ab. Ja und dies ist ein Beispiel für (unbeabsichtigtes) Geoengineering, wie es heute schon passiert. Wenn die Chinesen nun beginnen ihre Kohlekraftwerke mit Schwefelfiltern zu versehen und wenn sie Industrie und Verkehr sauberer machen, denn kehren sie zugleich den Prozess des Global Dimming um und verstärken damit (unbeabsichtigt) die globale Erwärmung. In den USA und Europa ist das übrigens bereits passiert und auf die Phase einer kontinentweiten Verdunkelung folgte eine Phase der kontinenweiten Aufhellung.
Wolken spielen für das Klima jedenfalls eine wichtige Rolle und eine nur geringe Zunahme oder Abnahme der Bewölkung hat weitreichende klimatische Auswirkungen. Die meisten Klimaforscher gehen davon aus, dass die globale Erwärmung die Zahl der niedrig liegenden kühlenden Wolken reduziert und die Zahl der hoch in der Atmosphäre liegenden Wolken erhöht, was insgesamt die Erwärmung verstärkt.
Die Idee eines Wolkennaturlabors – eines Labors also, dass natürliche Wolken möglichst genau beobachtet – ist für mich sehr zukunftsträchtig, denn Wetter- und Klimasimulationen, die heute auf dutzenden von Supercomputern weltweit laufen, stossen in ihrer Auflösung langsam in den Bereich einzelner Wolken vor und damit wird es entscheidend für die Qualitätskontrolle der Modelle, dass sie die Prozesse auch wirklich so simulieren wie sie sich in der Natur abspielen.
Was das Geoengineering betrifft, so scheint mir die Diskussion schon lange in die falsche Richtung zu laufen, denn auf Erdmasstab hin das Klima und beispielsweise die Sonneneinstrahlung zu ändern, das ist nur schon aus politischen Gründen unrealistisch, setzt es doch eine Koordination und eine Zustimmung aller Länder der Erde voraus. Dabei kann eine regionale und zeitlich begrenzte Intervention ins Wetter- und Klimageschehen durchaus sinnvoll sein. So zeigen Berechnungen und Simulationen, dass Aerosoleintragungen Hitzewellen wie sie in den USA und Russland wochenlang herrschten (und zu Feuerbränden und Ernteausfällen führten) effektiv abschwächen und dabei sehr viel Schaden abwenden könnten. Bevor man überhaupt über Geoengineering spekuliert, sollte man zuerst einmal solch lokale Phänomrne wie Hitzewellen mit Aerosolen und ähnlichen Geoengineering-Mitteln bekämpfen.
Ergänzung: Could aerosol emissions be used for regional heat wave mitigation? untersuchte den Effekt einer simulierten Sulfataersolfreisetzung zur Bekämpfung der Hitzewelle, welche an zwei Tagen im Juli 2006 Kalifornien heimsuchte. Und ja, der Effekt war recht deutlich (übersetzt von DeepL): Bei Sulfat-Aerosol-Emissionsraten von etwa 30 Mikrogramm pro Quadratmeter pro Sekunde ergeben sich im mittleren Teil des Tages über dem Central Valley, einem der am stärksten von der Hitzewelle betroffenen Gebiete, Temperaturrückgänge von etwa 7 Grad Celsius.
Eine um 7 Grad reduzierte Maximaltemperatur einer Hitzewelle kann den Unterschied ausmachen zwischen heiss und extrem heiss und auch den Unterschied zwischen Spitaleinweisungen wegen Hitzekollaps und Spitaleinweisungen wegen Badeunfall.
Erstaunlich, dass solch eine einfache Massnahme wie die Sulfataerosolinjektion in die Atmosphäre noch nie angewandt wurde während einer Hitzewelle.
Die vergleichsweise über-höhte Differenzierung zu Klimawandel als Folge von CO2 Emission verkennt die Tatsache, dass es noch ganz andere Klimafaktoren gibt. Seit Menschengedenken betreibt der Mensch Klimawandel in Mikrokosmos seiner Lebensumstände. Nicht nur durch Kleider und regensichere Häuser mit Heizung, sondern durch künstliche Bewässerung in der Landwirtschaft. Eingedenk der Tatsache, dass Regen immer Luftfeuchte voraussetzt, die unter ihren Taupunkt abkühlt, sollte man Stadt der Erforschung von zusätzlichen RO Sohlen lieber dafür sorgen, dass die Luftfeuchte in den Trockengebieten von Middle East technisch-künstlich angereichert wird. Die Natur Methode der Meerwasserentsalzung lässt sich mit vergleichsweise niedrigen Kosten perfektionieren durch Offshore-Wassersprüh-Kanonen an den Küsten des Toten Meeres.
@Jürgen Friedrich: Lokal wird das Klima deutlich durch Bewuchs, Asphalt, etc und Bewässerung beinflusst. Die urbanen Hitzeinseln zeugen davon. Globale und selbst regionale Klimaänderungen sind dagegen äusserst schwierig zu erreichen. Das Wüstenklima beispielsweise im mittleren Osten dürfte durch ihren Vorschlag einer künstlichen Luftbefeuchtung allein schon an den nötigen Grössenordnungen scheitern.