Im Rahmen des internationalen Projekts CLOUD am CERN haben Forschende am PSI herausgefunden, dass sogenannte Sesquiterpene – von Pflanzen freigesetzte gasförmige Kohlenwasserstoffe – ein wesentlicher Faktor bei der Wolkenbildung sind. Die Entdeckung könnte die Unsicherheit in Klimamodellen verringern und dazu beitragen, genauere Vorhersagen zu treffen. Die Forschung wurde jetzt in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Den neuesten Prognosen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) zufolge wird das globale Klima bis zum Jahr 2100 1,5 bis 4,4 Grad Celsius wärmer sein als vorindustrielle Werte. Diese Zahl basiert auf verschiedenen hypothetischen Szenarien, die beschreiben, wie sich die anthropogenen Treibhausgasemissionen in Zukunft entwickeln werden. Wenn es uns also gelingt, die Emissionen schnell und vollständig zu kontrollieren, können wir im besten Fall das im Pariser Abkommen festgelegte 1,5-Grad-Celsius-Ziel noch erreichen. Im schlimmsten Fall werden wir dieses Ziel deutlich übertreffen.

Diese Vorhersage weist jedoch auch eine gewisse Unsicherheit auf. Wenn beispielsweise die Emissionen im schlimmsten Fall weiter stark ansteigen, könnte der Temperaturanstieg nur 3,3 Grad Celsius oder sogar 5,7 Grad Celsius statt 4,4 Grad Celsius betragen.

Diese Unsicherheiten bei der Vorhersage, wie spezifische Entwicklungen der Treibhausgasemissionen zu Temperaturveränderungen führen werden, sind größtenteils darauf zurückzuführen, dass Wissenschaftler noch nicht alle Prozesse vollständig verstehen, die in der Atmosphäre ablaufen – die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Gasen und Aerosolen in der Atmosphäre. Atmosphärenforscher am Kernforschungszentrum CERN in Genf haben mit dem Projekt CLOUD (Cosmic Droplets Leaving Outdoors) ein internationales Verbundprojekt gestartet, das die Etablierung dieser Prozesse zum Ziel hat. PSI hat am Aufbau der CLOUD-Testkammer mitgewirkt und ist Mitglied im Lenkungsausschuss des Projekts.

Lubna Dada untersucht die Bildung und chemische Zusammensetzung von Aerosolen im Labor für Atmosphärenchemie. Bildquelle: Paul Scheele Institut/Markus Fischer

Das Geheimnis der Wolkenbildung

Wie sich insbesondere Wolken in Zukunft bilden werden, bleibt weitgehend ein Rätsel. Dies ist jedoch ein Schlüsselfaktor für die Vorhersage des Klimas, da mehr Wolken mehr Sonnenstrahlung reflektieren und so die Erdoberfläche abkühlen.

Um die Wassertröpfchen zu bilden, aus denen Wolken bestehen, benötigt Wasserdampf Kondensationskeime, das sind feste oder flüssige Partikel, an denen er kondensieren kann. Diese Partikel werden durch eine Vielzahl von Aerosolen bereitgestellt, bei denen es sich um winzige feste oder flüssige Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikrometern handelt, die durch die Natur und menschliche Aktivitäten erzeugt und in die Luft freigesetzt werden. Zu diesen Partikeln gehören Salz aus dem Meer, Sand aus Wüsten, Schadstoffe aus Industrie und Verkehr oder Rauchpartikel aus Bränden.

Allerdings entstehen etwa die Hälfte aller Kondensationskeime tatsächlich, wenn sich verschiedene Gasmoleküle in der Luft zu einem Feststoff verbinden, ein Phänomen, das Experten als „Nukleation“ oder „Neupartikelbildung“ (NPF) bezeichnen. Diese Partikel sind zunächst sehr klein, nur wenige Nanometer groß, doch mit der Zeit wachsen sie durch die Kondensation gasförmiger Moleküle und werden dann zu Kondensationskernen.

Treibhausgase, die Sie riechen können

Das wichtigste anthropogene Gas, das die Partikelbildung verursacht, ist Schwefeldioxid in Form von Schwefelsäure, hauptsächlich aus der Verbrennung von Kohle und Öl. Die wichtigsten dieser Erdgase sind die sogenannten Isoolefine, Monoterpene und Sesquiterpene. Hierbei handelt es sich um Kohlenwasserstoffe, die hauptsächlich von der Vegetation freigesetzt werden. Sie sind die Hauptbestandteile ätherischer Öle, die wir beispielsweise beim Rasenmähen oder bei einem Waldspaziergang riechen. Wenn diese Stoffe oxidieren, also mit Ozon reagieren, bilden sie Aerosole in der Luft.

Lubna Dada, Atmosphärenforscherin am PSI, sagte: „Es ist zu beachten, dass die Konzentration von Schwefeldioxid in der Luft in den letzten Jahren deutlich gesunken ist und aufgrund strengerer Umweltgesetze weiter sinken wird. Andererseits steigt die Konzentration von Terpenen aufgrund des Pflanzenwachstums.“

Eine große Frage für die Verbesserung von Klimavorhersagen ist also, welche Faktoren dominieren werden. was zu mehr oder weniger Wolkenbildung führt. Um diese Frage zu beantworten, müssen wir wissen, wie jeder dieser Stoffe zur Bildung neuer Partikel beiträgt. Über Schwefelsäure ist bereits viel bekannt und die Rolle von Monoterpenen und Isopren ist dank Feldmessungen und Laborexperimenten wie CLOUD, an denen das PSI beteiligt ist, inzwischen besser verstanden.

Sesquiterpene sind selten, aber wirksam

„Bisher standen Sesquiterpene nicht im Fokus der Forschung.“ Dada erklärt: „Das liegt daran, dass sie schwer zu messen sind. Erstens, weil sie sehr schnell mit Ozon reagieren, und zweitens, weil sie viel seltener vorkommen als andere Stoffe.“ Dennoch spielen diese Verbindungen eine wichtige Rolle bei der Wolkenbildung. Messungen zufolge bilden sie bei gleicher Konzentration zehnmal mehr Partikel als die beiden anderen organischen Stoffe.

Um dies festzustellen, nutzten Dada und ihre Mitarbeiter das einzigartige CLOUD-Labor am Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN). Die Testkammer ist ein abgeschlossener Raum, der verschiedene atmosphärische Bedingungen simuliert. Diese Klimakammer hat knapp 30 Kubikmeter und ist die reinste ihrer Art weltweit. Die Reinheit ist so hoch, dass Sesquiterpene bereits bei sehr geringen Konzentrationen in der Atmosphäre untersucht werden können.

Genau darum ging es in dieser Studie. Ziel dieser Studie war es, die Entstehung biologischer Partikel in der Atmosphäre zu simulieren. Konkreter ging es den Forschern um die Untersuchung der vorindustriellen Ära, als es keine anthropogenen Schwefeldioxidemissionen gab. Dadurch können die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten für die Zukunft besser bestimmt und vorhergesagt werden. Allerdings sind vom Menschen verursachte Schwefeldioxidemissionen in der Natur schon lange allgegenwärtig. Auch deshalb kommen nur Nebelkammern in Frage. Unter kontrollierten Bedingungen können auch vorindustrielle Gemische hergestellt werden.

Persistente Partikel bringen mehr Wolken

Die Experimente ergaben, dass bei der Oxidation natürlicher Mischungen aus Isopren, Monoterpenen und Sesquiterpenen in reiner Luft eine große Anzahl organischer Verbindungen entsteht, sogenannte ULVOCs (Ultra-Low Volatile Organic). Verbindungen). Wie der Name schon sagt, sind diese organischen Verbindungen nicht sehr flüchtig und daher sehr effizient bei der Bildung von Partikeln, die mit der Zeit an Größe zunehmen und zu Kondensationskernen werden. Die dramatische Wirkung von Sesquiterpenen wurde deutlich, als die Forscher sie einer Suspension hinzufügten, die nur Isopentene und Monoterpene enthielt. Schon die Zugabe von nur 2 % verdoppelte die Rate der Neubildung von Partikeln. Dies lässt sich dadurch erklären, dass Sesquiterpenmoleküle aus 15 Kohlenstoffatomen bestehen, während Monoterpene nur 10 Kohlenstoffatome und Isopentene nur 5 Kohlenstoffatome haben.

Einerseits zeigt diese Studie eine andere Art und Weise auf, wie die Vegetation Wetter und Klima beeinflusst. Vor allem aber legen die Ergebnisse nahe, dass Sesquiterpene neben Isopentenen und Monoterpenen als separater Faktor in zukünftige Klimamodelle einbezogen werden sollten, um ihre Vorhersagen genauer zu machen. Insbesondere angesichts der Verringerung der Schwefeldioxidkonzentration in der Atmosphäre und der gleichzeitigen Zunahme biologischer Emissionen aufgrund von Klimastress bedeutet dies, dass letzterer voraussichtlich zunehmende Auswirkungen auf das zukünftige Klima haben wird. Allerdings sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Vorhersagen zur Wolkenbildung weiter zu verbessern. Das Labor für Atmosphärenchemie plant diese Studien bereits.

Imad El-Haddad, Leiter der Forschungsgruppe Atmosphärische Molekulare Prozesse, sagte: „Als nächstes wollen wir und unsere CLOUD-Partner untersuchen, was genau während der Industrialisierung geschah, als die natürliche Atmosphäre zunehmend mit anthropogenen Gasen wie Schwefeldioxid, Ammoniak und anderen anthropogenen organischen Verbindungen vermischt wurde.“