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Wolken veränderen die chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften von Partikeln

02.08.2012
Wolken entstehen nicht nur aus organischen Partikeln, sie können auch selbst organisches Material produzieren.

Das hat ein internationales Forscherteam während einer großen Messkampagne im Thüringer Wald erstmals direkt beobachtet, berichten Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (IfT) auf der Internationalen Konferenz zu Wolken und Niederschlag (ICCP 2012) in Leipzig. Dazu hatten die Forscher organische Partikel vor und nach dem Entstehen der Wolken chemisch untersucht.


Während einer sechswöchigen Kampagne im Herbst 2010 wurde während insgesamt 370 Stunden je eine Wolke an der Gipfelstation Schmücke im Thüringer Wald registriert.
Foto: Tilo Arnhold/IfT


An der Kampagne „Hill-Cap Cloud Thuringia 2010 (HCCT-2010)“ hatten insgesamt rund 50 Wolkenforscher aus Deutschland, Frankreich, England und den USA teilgenommen. Im Bild: Dr. Dominik van Pinxteren beim der Probenahme von Wolkenwasser, das späte rim Labor chemisch analysiert wurde.
Foto: Tilo Arnhold/IfT

Aerosolpartikel wachsen durch Wasseraufnahme und bilden schließlich Wolkentröpfchen, Wolken und auch Niederschlag. Wolken verändern aber auch die chemische Zusammensetzung von Partikeln. Was dabei genau passiert, ist jedoch zum Teil immer noch unbekannt. Eine internationale Messkampagne unter Leitung des IfT will einen Teil dieser Wissenslücken nun schließen.

Die chemische Untersuchung von Wolken direkt vor Ort ist ein großes Problem, weil es schwierig ist, komplexe Messsyteme direkt in die Wolke zu transportieren. Und selbst dann sind solche Messungen meist nur eine Momentaufnahme. Im Thüringer Wald rund um die Schmücke gingen die Wissenschaftler daher umgekehrt vor: Sie transportierten die Messtechnik nicht zu den Wolken, sondern bauten sie an drei unterschiedlichen Stellen auf – also vor, auf und hinter dem Gebirgskamm.

Anschließend werteten sie nur jene Wolken aus, bei denen die Luft die drei Stationen passiert hatte. So war es möglich, Physik und Chemie vor, während und nach der Wolkenbildung intensiv zu untersuchen. „Mit Hilfe von massenspektrometrischen Messverfahren zur Partikelcharakterisierung konnte im Feld beobachtet werden, dass Aerosolpartikel nach einem Wolkendurchgang eine etwas veränderte chemische Zusammensetzung besitzen“, brichtet Dr. Dominik van Pinxteren vom IfT.

„Zumindest bei einigen Wolkenereignissen produziert die Wolke Sulfat aus Schwefeldioxid. Erstmals konnten wir auch direkte Hinweise darauf finden,dass organisches Material aus organischen Vorläuferverbindungen gebildet wird. Die genauen Bedingungen, unter denen diese Prozesse stattfinden, werden momentan noch untersucht.“

Und noch einen Effekt beobachteten die Wissenschaftler: Partikel, aus denen bereits ein Wolkentropfen geworden ist, werden später schneller wieder zu Wolkentropfen. Denn Wolken verändern die Eigenschaften von Partikeln. Nach einem Wolkendurchgang sind Partikel hygroskoper, d.h. sie nehmen leichter Wasser auf und bilden in folgenden Wolkenbildungsprozessen leichter neue Wolkentropfen. Dies wurde mit Messgeräten im Feld direkt beobachtet und steht sehr wahrscheinlich im Zusammenhang mit der veränderten chemischen Zusammensetzung der Partikel.

An der Kampagne „Hill-Cap Cloud Thuringia 2010 (HCCT-2010)“ hatten insgesamt rund 50 Wolkenforscher aus Deutschland, Frankreich, England und den USA teilgenommen. Ziel war es, mit speziellen Messmethoden die Veränderungen von Aerosolpartikeln bei der Aktivierung zu einer Wolke und innerhalb einer Wolke zu untersuchen. Während dieser Prozesse laufen in allen Partikeln eine Vielzahl von chemischen Reaktionen ab, deren Produkte durch geeignete Messmethoden nachgewiesen werden können. Veränderungen der chemischen Zusammensetzung führen zu Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Partikel, die durch die Experimente besser verstanden werden sollen. Während der sechswöchigen Kampagne im Herbst 2010 wurde während insgesamt 370 Stunden je eine Wolke an der Gipfelstation registriert. Anhand meteorologischer Analysen wurden 51 Wolkenstunden ermittelt, während derer durch Vergleich der drei Messstationen ein Einfluss der Wolke auf das lokale Aerosol untersucht werden kann.

Der umfangreiche Datensatz wird momentan detailliert ausgewertet und dient als Grundlage für eine mikrophysikalische und chemische Modellierung einzelner Zeitabschnitte. Erste Ergebnisse werden Schritt für Schritt publiziert. Die Ergebnissen sollen später in komplexe höherskalige Modelle integriert werden, um die Wirkung von Aerosolen und Wolken im Erdsystem besser beschreiben zu können. Aerosole und Wolken beeinflussen die Chemie der Atmosphäre, können die Luftqualität verändern, haben über die Strahlungseigenschaften Auswirkungen auf das globale Klima und steuern den Niederschlag.

Vom 30. Juli bis zum 3. August 2012 findet im Hörsaalgebäude der Universität Leipzig die 16. Internationalen Konferenz zu Wolken und Niederschlag (ICCP 2012) statt. Gastgeber sind das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT) und das Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) der Universität Leipzig. Die ICCP ist für Wolken- und Niederschlagsforscher die weltweit wichtigste und größte Konferenz. Erwartet werden rund 500 Teilnehmer aus 37 Ländern, die fast 650 verschiedene Beiträge präsentieren. Damit ist die Leipziger Konferenz voraussichtlich die größte aller bisher veranstalteten Wolken- und Niederschlagskonferenzen.

Tilo Arnhold

Publikationen:
D. van Pinxteren, W. Birmili, B. Fahlbusch, W. Fomba, T. Gnauk, Y. Iinuma, S. Mertes, K. Dieckmann, M. Merkel, C. Müller, K. Müller, L. Poulain, G. Spindler, M. Schäfer, F. Stratmann, A. Tilgner, L. Schöne, P. Bräuer, K. Weinhold, H. Wex, A. Wiedensohler, W. Zhijun, S. Borrmann, E. Harris, A. Roth, J. Schneider, B. Sinha, I. George, D. Heard, L. Whalley, B. D'Anna, C. George, M. Müller, W. Haunold, A. Engel, A. Weber, D. Amedro, C. Fittschen, C. Schoemaecker, J. Collett, T. Lee, H. Herrmann (2012): Hill Cap Cloud Thuringia 2010: A ground-based field study on aerosol cloud interaction. ICCP-2012, Leipzig. (#560)

K. Dieckmann, M. Schäfer, P. Zedler, H. Herrmann, D. van Pinxteren, W. Birmili, M. Merkel, Z. Wu, A. Wiedensohler, T. Mentel, S. Henning, H. Wex, F. Stratmann (2012): Influence of Cloud Processing on CCN Activation Behaviour in the Thuringian Forest, Germany. ICCP-2012, Leipzig. (#607)

Die Messkampagne HCCT-2010 (Hill Cap Cloud Thuringia) wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Weitere Informationen:
Dr. Dominik van Pinxteren/ Prof. Hartmut Herrmann
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT)
Tel. 0341-235-2156, -2446
http://www.tropos.de/ift_personal.html
Links:
HCCT 2010 (Hill Cap Cloud Thuringia 2010):
http://www.tropos.de/news/pms/Wolkenmesskampagne_IfT_Leipzig_2010-09-08.pdf
http://www.mpic.de/HCCT-2010.19743.0.html
Mit dem Kopf in den Wolken - Wolkenmess-Experiment im Thüringer Wald (Deutschlandfunk, 2.12.2010):

http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1333391/

Konferenz ICCP-2012:
Veranstalter der Konferenz ist die Internationale Kommission für Wolken und Niederschlag (ICCP), eine Institution der Internationalen Assoziation für Meteorologie und Atmosphärische Wissenschaften (IAMAS). Ziel der ICCP ist es, durch die Organisation von Konferenzen, Workshops und Symposien die Forschung im Bereich von Wolken und Niederschlag in der Welt zu stimulieren. Das erste Internationale Wolkenphysik-Meeting fand 1954 in Zürich statt.

http://www.iccp-iamas.org/

Homepage der Tagung:
http://iccp2012.tropos.de/
Programm der Tagung:
http://iccp2012.tropos.de/iccp_program.html
Die Tagung wird gefördert von der DFG (Deutschen Forschungsgemeinschaft), der WMO (World meteorological Organization), der IUGG (International Union of Geodesy and Geophysics) und der IAMAS (International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences).

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Ihr gehören zurzeit 87 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Infrastruktureinrichtungen für die Forschung sowie zwei assoziierte Mitglieder an. Die Ausrichtung der Leibniz-Institute reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesamtgesellschaftlich relevante Fragestellungen strategisch und themenorientiert. Dabei bedienen sie sich verschiedener Forschungstypen wie Grundlagen-, Groß- und anwendungsorientierter Forschung. Sie legen neben der Forschung großen Wert auf wissenschaftliche Dienstleistungen sowie Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Sie pflegen intensive Kooperationen mit Hochschulen, Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Das externe Begutachtungsverfahren der Leibniz-Gemeinschaft setzt Maßstäbe. Jedes Leibniz-Institut hat eine Aufgabe von gesamtstaatlicher Bedeutung. Bund und Länder fördern die Institute der Leibniz-Gemeinschaft daher gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen etwa 16.800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon sind ca. 7.800 Wissenschaftler, davon wiederum 3.300 Nachwuchswissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,4 Mrd. Euro, die Drittmittel betragen etwa 330 Mio. Euro pro Jahr.

Tilo Arnhold | Leibniz-Institut
Weitere Informationen:
http://www.leibniz-gemeinschaft.de

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