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Dieser Hauch von Terpentin

in Aus der Welt der Wissenschaft 09.06.2016 19:31
von franzpeter | 9.085 Beiträge

Dieser Hauch von Terpentin

Dämpfe aus Bäumen regen die Bildung von Wolken an. Diese neue Entdeckung hat Folgen für das Verständnis des Klimawandels.
08.06.2016, von Ulf von Rauchhaupt


Schon wieder Regen in Sicht? Den Wald freut’s, den Menschen weniger.


Wolken haben in unseren Breiten nicht das beste Image. Wer nicht gerade Landwirt oder Gärtner ist, kann insbesondere im Frühling auf die weißgrauen Schwaden gut verzichten. Auch assoziieren wir Wolken oft mit dem, was aus Schornsteinen und Fabrikschloten quillt. Nicht ganz zu Unrecht: Die Tröpfchen, aus denen Wolken bestehen, können nicht von allein aus atmosphärischem Wasserdampf kondensieren. Sie brauchen dazu sogenannte Aerosol-Partikel, die mindestens 50 Nanometer groß sind – gut 500 Mal so dick wie ein Wassermolekül.


Ulf von Rauchhaupt
Autor: Ulf von Rauchhaupt, verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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Zur Hälfte handelt es sich bei diesen Kondensationskeimen um aufgewirbelte Partikel, Staubkörnchen und Meersalzkristalle vor allem. Die andere Hälfte aber bildet sich aus Spurengasen direkt in der Atmosphäre und zwar, wie man bisher glaubte, stets aus Schwefelsäure oder zumindest unter deren Beteiligung. Schwefelsäure entsteht ihrerseits aus Schwefeldioxid. Von Vulkanausbrüchen abgesehen hat dieses stechend riechende Gas vor allem eine Quelle: die Ausdünstungen unserer Zivilisation.


Die Menschen haben damit die Bewölkung des Planeten verstärkt und sogar das Weltklima beeinflusst. Allerdings in einer der Treibhauswirkung entgegengesetzter Richtung: Wolken reflektieren Sonnenlicht zurück ins All, mit kühlendem Effekt für das Klima. Mehr Aerosole machen Wolken heller und langlebiger. Ohne die industriellen Schwefeldünste hätte sich die globale Erwärmung daher nicht erst Ende der 1980er Jahre bemerkbar gemacht. Bevor damals Maßnahmen zur Abgasentschwefelung zu greifen begannen, hat das Schwefeldioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe die Wirkung des Kohlendioxids aus der gleichen Quelle sozusagen maskiert.


Doch nun stellt sich heraus, dass die Natur auch gänzlich ohne uns kontinuierlich wolkenbildende Gase produziert. Und das ausgerechnet durch Bäume. Diese dünsten flüchtige organische Stoffe wie das alpha-Pinen aus. Dieses ist der Hauptbestandteil von Terpentinöl und mit dafür verantwortlich, dass es in Nadelwäldern so angenehm riecht. Durch Ozon in der Luft wird es schnell oxidiert, und die Reaktionsprodukte lagern sich tatsächlich zu Partikeln zusammen, die als Wolkenkeime dienen können, ohne dass Schwefeldioxid irgendwie beteiligt wäre.


Überraschung: Es geht auch ohne Schwefelgas

Das schließt eine Kollaboration aus mehr als 70 Forschern unter der Leitung des Briten Jasper Kirkby aus Labordaten, die sie in zwei Beiträgen zur aktuellen Ausgabe von „Nature“ veröffentlicht haben. Zeitgleich meldet in „Science“ ein Team aus zum Teil denselben Forschern die Beobachtung schwefelloser Entstehung von Wolkenkeimen – oder Nukleation, wie die Forscher sagen – aus organischen Gasen auf dem 3500 Meter hoch gelegenen Jungfraujoch.

„Das war eine große Überraschung für uns alle“, sagt Joachim Curtius von der Universität Frankfurt, der an allen drei Publikationen beteiligt war. „Bisher war nur bekannt, dass es an manchen Küsten starke Aerosolnukleation durch Jodoxidverbindungen gibt. Sonst dachten wir, dass in der Atmosphäre eigentlich immer Schwefelsäure beteiligt ist, und dass wir nur die richtigen zusätzlichen stabilisierenden Komponenten für die Schwefelsäure finden müssen.“

Anders als der Atmosphärenforscher Curtius ist Jasper Kirkby von Haus aus Teilchenphysiker. Sein Arbeitgeber ist das europäische Kernforschungszentrum Cern bei Genf, wo man eigentlich Elementarteilchen, also subatomare Grundbausteine der Materie erforscht. Zuletzt konnte in dem kilometerweiten Teilchenbeschleuniger LHC das Higgs-Teilchen aufgespürt werden. Dass Kirkby seit zehn Jahren Aerosolteilchen erforscht, liegt auch daran, dass man sich am Cern bestens auf die Konstruktion großvolumiger ultrareiner Experimentierbehälter versteht. Ein solcher ist „Cloud“: ein Edelstahlkessel in der Osthalle des Cern-Geländes unweit des Genfer Flughafens.



Im Inneren dieses Kessels können einige Kubikmeter künstlicher Erdatmosphäre erzeugt werden mit allem, was dazugehört: Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, UV-Licht, wie es die Sonne liefert und vor allem ein frei einstellbares Spektrum an Spurengasen. Dazu gehört beispielsweise eines, das den Baumduft alpha-Pinen enthält, aber keinerlei Schwefeldioxid.
Auch an kosmische Strahlung ist gedacht: mittels des Protonen-Beschleunigers, der den LHC mit Teilchen versorgt, werden vor Ort kurzlebige Pionen erzeugt und durch den Cloud-Kessel gejagt, wo sie die eingeschlossenen Gase ionisieren, also einige ihrer Moleküle in elektrisch geladene Bruchstücke zerhacken. Damit lässt sich dann der Einfluss kosmischer Strahlung auf die Aerosolbildung untersuchen. Umgekehrt kann ein spezielles elektrisches Feld im Kessel bei Bedarf alle Ionen sofort absaugen, so dass man studieren kann, was gänzlich ohne kosmische Strahlung passieren würde.

Kosmische Strahlung und die Klimafrage

Denn die Frage nach dem Einfluss kosmischer Strahlung auf die Wolkenbildung und damit auch das Klima war eines der Motive zum Bau von „Cloud“, dessen Name auch als Akronym für „Cosmics Leaving Outdoor Droplets“ gelesen werden soll. Denn bevor die Messungen 2009 begannen, hatte der dänische Physiker Henrik Svensmark behauptet, einen solchen Einfluss nachweisen zu können. In der Fachwelt sind Svensmarks Befunde heute, vorsichtig ausgedrückt, umstritten. Doch unter Zeitgenossen, die nicht an einen nennenswerten Einfluss des Menschen auf das Klima glauben wollen, werden sie noch immer zitiert, um die aktuelle globale Erwärmungen mit Änderungen im Zustrom kosmischer Strahlen auf die Erde zu erklären, etwa infolge von Änderungen in der Aktivität der Sonne.


Nun hatten schon frühere Experimente der „Cloud“-Kollaboration gezeigt, dass komische Strahlung die Bildung von Aerosolen aus Schwefelsäure und Wasser in der Tat deutlich steigern kann. Die nun veröffentlichten Resultate zeigen sogar eine Verstärkung der Wolkenkeimbildung um das Zehn- bis Hundertfache, wenn schwefelfreie alpha-Pinen-haltige Luft kosmisch bestrahlt wird. Insbesondere im Lichte dieser neuen Resultate bedeutet das aber gerade nicht, dass Svensmarks Ergebnisse damit irgend plausibler würden, erklärt Joachim Curtius. „Für die heutige Zeit ist der Prozess wegen der viel stärkeren Verbreitung der menschgemachten Schwefelkomponenten vermutlich nicht sehr häufig oder nur in bestimmten Regionen in der Atmosphäre zu finden – ein Beispiel wäre das Nukleationsereignis vom Jungfraujoch. Außerdem sind es zwei verschiedene Dinge, ob Ionen an der Aerosolbildung beteiligt sind, und ob die relativ schwache zeitliche Änderung der Ionen durch Sonnenaktivität wirklich Klimaeffekte hervorruft.“

Einst war es doch wolkiger als gedacht

Die Bedeutung der jüngsten Cloud-Ergebnisse liegt daher woanders. Zum einen zeigen sie im Detail, wie Aerosole überhaupt entstehen. Im Laborgefäß kann nämlich verfolgt werden, was in der echten Atmosphäre schlecht beobachtbar ist: Wie es Partikel überhaupt schaffen, über Größen von ein paar Nanometern hinauszuwachsen. Denn je kleiner Tröpfchen oder Teilchen sind, desto leichter verdampfen sie, wie der englische Physiker Lord Kelvin bereits 1871 herausfand. Vor allem aber müssen sie so schnell wachsen, dass ihre Chance, von bereits ausgewachsenen Aerosolteilchen verschluckt zu werden und damit als Wolkentröpfchenkeim verloren zu gehen, klein genug ist. Wie sich zeigt, beginnt eine erfolgreiche Nukleation mit einem der eher seltenen schwer verdampfbaren Oxidationsprodukte des alpha-Pinens. Je größer das Teilchen aber wird, desto leichtflüchtiger dürfen die Verbindungen sein, um sich permanent anlagern zu können.

Dass dies ganz ohne Schwefeldioxid klappt, ist nicht nur unerwartet, sondern auch wichtig für die Klimaforschung, die bei dem notorisch schwierig zu modellierenden Klimafaktor Wolken damit einen Schritt vorankommt. „Achtzig bis neunzig Prozent des Schwefeldioxids in der Atmosphäre stammt aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe“, sagt Jasper Kirkby. „Daher war bis jetzt angenommen worden, menschliche Aktivität sei essentiell für die Bildung dieser Aerosole, und vor Anbruch des Industriezeitalters müsse der Himmel daher wesentlich weniger wolkig gewesen sein als heute.“

Machen sich Wälder ihr Klima selber?

Doch wie die „Cloud“-Daten nun nahelegen, war dem nicht so. Das Terpentinaroma der Nadelwälder hat danach schon im Mittelalter und zur Römerzeit ordentlich die Wolken quellen lassen. Vermutlich taten dies auch phytogene Dünste anderer Vegetationszonen, in den Tropen etwa Isopren und Limonen, deren Nukleationsneigung noch erforscht werden muss. Das aber bedeutet, dass die Maskierung des heutigen anthropogenen Klimawandels durch die vom Industrieschwefel erzeugten Wolken geringer und die Erwärmung daher möglicherweise weniger rapide war, als die Klimamodelle es bislang nahelegen. „Das wird die Vorhersagen für die Erwärmung im 21. Jahrhundert präzisieren und etwas reduzieren“, vermutet Kirkby. „Verschwinden wird die Erwärmung damit aber nicht, sie bleibt erheblich, wir können sie nur genauer voraussagen.“

Vielleicht werden Areosolphysiker und Klimaforscher nicht die einzigen Wissenschaftler bleiben, die sich für den neuen Befund interessieren. Evolutionsbiologen etwa könnten sich fragen, ob die Wolkenwirkung dieser pflanzlichen Emissionen wirklich nur reiner Zufall ist. „Das ist eine interessante Spekulation“, erklärt Kirkby in einem Podcast-Interview mit dem Magazin „Nature“. „Für Bäume ist es physiologisch aufwendig, diese Stoffe zu produzieren. Die machen das sicher nicht, um Wanderern ihre Waldspaziergänge angenehmer zu machen.“ Wälder, sagt er, könnten nicht weglaufen, wenn es ihnen zu heiß oder zu trocken wird. Wenn sie aber Dämpfe absondern, um die sich Wolkentröpfchen bilden, hätten sie einen wunderbaren Mechanismus gefunden, um ihre Umwelt zu beeinflussen.


Quelle FAS


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franzpeter
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