Das Geheimnis der Zirruswolken

Wie sie die Erde erhitzen oder abkühlen

Nitrit-Verbindungen schalten sich offenbar selbst ein und aus.

Das Klima der Erde entsteht durch das Wechselspiel zwischen dem Sonnenlicht und dem Verlust der Strahlung über die Atmosphäre. Wolken sind ein wichtiger Modulator dieses Geschehens. Sie können das Sonnenlicht zurückschicken und damit die Aufwärmung der Erde reduzieren (Albedo Effekt); sie können andererseits die Abwärme vermindern und erhöhen somit die globale Erwärmung. Welcher dieser beiden Prozesse überwiegt, ist das Resultat vielfältiger Vorgänge, an denen die Zirruswolken, die 30 Prozent ausmachen, einen beachtlichen Anteil haben. R.S. Gao und eine internationale Arbeitsgruppe berichten als Mitglieder der Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers in Science über ihre Ergebnisse.

Das gewaltige Projekt ist eine Ergänzung zu mannigfachen Studien über die hohen tropischen Zirruswolken. Diese Wolken werden aus kleinen Eiskristallen gebildet, die zwischen 6.000 und 16.000 Metern flottieren. "Wolken sind der große Unsicherheitsfaktor bei computerisierten globalen Klimamodellen", erklärt Eric Jensen vom NASA Ames Research Center "Wir wollen die Größe der Eiskristalle messen, die optische Dichte der Wolken und das Erhitzen oder Abkühlen der Erde durch Zirruswolken."

Dazu dienen der NASA sechs Flugzeugtypen, von der Twin Otter bis zu den hochfliegenden ER-2, ähnlich der U-2. Ferner stützen Satellitendaten mit Hilfe von GEOS, Terra und Tropical Rainfall Measuring Mission die Untersuchungen. Die hier vorgelegten Ergebnisse sind deshalb nur ein kleiner Teil aus diesem Programm, das 150 Forscher weltweit beschäftigt.

R.S. Gao stellt Proben vor, die bei Flügen in den Zirruswolken entnommen und durch die Forscher zum Teil direkt, zum Teil später im Labor analysiert wurden. Dabei sind die Wolken ein ständig in Bewegung befindliches System. Die Forscher fanden nun eine zunehmende relative Feuchtigkeit und vermehrt Nitrite. Und so wird klar: die Nitritverunreinigungen bauen einen Antifrostschutz auf. Ferner spekulieren die Wissenschaftler, dass die nitrithaltigen Eisbestandteile, "Delta Eispartikel" genannt, für einen Anstieg des Wasserdampfdrucks verantwortlich gemacht werden können.

Sollten sich diese Befunde bestätigen, bekommen die Verunreinigungen nicht nur für Nitrite, sondern auch für andere Aerosole einen völlig neuen Aspekt. Denn die Temperaturabhängigkeit ist gleichermaßen in allen Wolken und den Kondensstreifen vorhanden. Ferner wird eine Zunahme der relativen Feuchtigkeit die Wolkenbildung reduzieren und den Wasserdampfdruck in der oberen Troposphäre erhöhen. Das wiederum fördert die langwellige Abstrahlung und die Dehydratation der Luft mit Auswirkungen in der niedrigern Stratosphäre.

Allerdings sind die Daten, die in 10 bis 15 km Höhe gewonnen werden, noch nicht so griffig wie von den Forschern vermutet. Sie unterscheiden bisher zwischen dem "hexagonalen Eis", das entsteht, wenn die relative Luftfeuchte bei 100% liegt und dem "komplexen Eis". Hier dominieren die Delta Eispartikel, weil die Feuchtigkeitswerte über 100% liegen und bei Temperaturen unter 200 Grad Kelvin wirksam werden. Dazu kommt ein Vorgang, ähnlich wie er bei den Proteinen der Antifrostmittel (AFP) auftritt. Denn die AFPs ändern das Eis-Wasser-Verhältnis, indem sie die Einbindung von Wasser in die Kristallstruktur blockieren und somit konzentrationsabhängig zum Antifrostschutz beitragen. In Analogie zu diesem Prozess ist die wahrscheinlichste Erklärung eine Verminderung des Gefrierpunktes oder ein Anstieg im Dampfdruck des Eis-Dampfdruck-Systems. Auf jeden Fall ist Nitrit oder nitrit- ähnliche Moleküle in der Lage, die Eisbildung zu blockieren.

Daraus entwickeln die Forscher das Delta Eispartikel-Konzept, welches eine direkte Beziehung zwischen den klimatischen Veränderungen und den natürlichen und menschlichen Quellen erlaubt. Nitrite werden üblicherweise von Blitzen und bei der Brandrodung gebildet. Die Anreicherung erfolgt dann in niedrigen sowie in hohen Höhen der Troposphäre. Je nach der Temperatur in der Troposphäre erfolgt die Aufteilung zum Teil unter Bildung der Delta Eispartikel. Diese Bildung ist allerdings selbstlimitierend, weil HNO3 von der oberen Troposphäre durch die Sedimentierung verloren geht.

Veränderungen dieser Art haben erhebliche Auswirkungen auf das globale Klima. Deutliche Unterschiede bestehen zudem zwischen der Nord- und Südhalbkugel. Denn nach den bisherigen Vermutungen sind die Einflüsse in der nördlichen Hemisphäre wirksamer als im Süden.