Eine neue internationale Gemeinschaftsstudie liefert wichtige Beweise für eine langjährige wissenschaftliche Debatte über Klima und Atmosphäre. Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus China, den Vereinigten Staaten und Israel hat herausgefunden, dass die Wasserdampfübersättigung in tiefen tropischen Konvektionswolken frühere menschliche Beobachtungsaufzeichnungen bei weitem übertrifft. Diese Entdeckung bestätigt eine zuvor von der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufgestellte Hypothese, dass winzige Aerosolpartikel unter den richtigen atmosphärischen Bedingungen tatsächlich das Potenzial haben, tropische Sturmwolken zu „katalysieren“ und zu verstärken.
Klimaforscher diskutieren seit langem darüber, ob winzige Aerosolpartikel tropische Gewitterwolken tatsächlich stärker machen. Die Entwicklung tiefer Konvektionswolken beeinflusst direkt die globalen Niederschlags-, Blitz- und Klimamuster, während die winzigen Partikel im Kern der Wolkentröpfchen die physikalischen Mechanismen innerhalb der Wolken auf subtile Weise verändern. Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat einen theoretischen Mechanismus namens „Anregung durch kondensierte Aerosolkonvektion“ vorgeschlagen. Dieser Mechanismus geht davon aus, dass, wenn der Wasserdampf in der Wolke einen extrem hohen „Übersättigungszustand“ erreicht (d. h. der Wasserdampfgehalt in der Luft den Gehalt im üblichen Gleichgewichtszustand bei weitem übersteigt), die Einführung von Aerosolpartikeln die Produktion einer großen Anzahl zusätzlicher Wolkentröpfchen katalysiert, wodurch die Kondensation beschleunigt und mehr latente Wärme freigesetzt wird, was letztendlich dazu führt, dass der Aufwind innerhalb der konvektiven Wolke stark zunimmt.
Da sich frühere Luftbeobachtungen jedoch meist auf Wolken mit starker Verschmutzung und flachen warmen Wolken konzentrierten oder die Probenahmeorte unterhalb tiefer Konvektionsgebiete lagen, wo Niederschlag und Wolkentröpfchen sehr schnell verschmelzen, was die Ansammlung von Übersättigung leicht abschwächen kann, erfassten frühere Flugzeugmessdaten selten den hohen Grad an quasistationärer Übersättigung, der zur Stützung dieser Theorie erforderlich war.
Um dieses Rätsel zu lösen, führte das Forschungsteam eine eingehende Analyse der Flugzeugbeobachtungsdaten des „Cloud, Aerosol and Monsoon Process Experiment“ durch, das die NASA 2019 auf den Philippinen und den umliegenden tropischen Ozeanen durchgeführt hatte. Sie nutzten die gemessene Aufwindgeschwindigkeit und die Größenverteilung der Wolkentröpfchen, um die quasistationäre Übersättigung abzuleiten. Dieser innovative Ansatz erfasst perfekt das dynamische Gleichgewicht zwischen dem Aufstieg der Luft, die Wasserdampf erzeugt, und der Kondensation von Wasserdampf zu Wolkentröpfchen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Übersättigung, die in tropischen Konvektionswolken erreicht werden kann, viel höher ist als zuvor durch ähnliche Beobachtungen aufgezeichnet. Die Daten zeigen, dass die berechnete quasistationäre Übersättigung mit zunehmender Höhe ansteigt und im Bereich um minus 5 Grad Celsius etwa 10 % erreicht, wo die Wolkenschicht noch immer von unterkühlten Wassertröpfchen dominiert wird. In Gebieten mit kühleren Temperaturen steigen die Übersättigungsschätzungen weiter an. Gleichzeitig bestätigte auch eine weitere parallele unabhängige Studie zum Luftbeobachtungsprojekt „ESCAPE“ in den Küstengebieten von Texas und Louisiana diese Schlussfolgerung. Diese Studie fand auch eine seltene, aber extreme quasistationäre Übersättigung von bis zu 11 % in tiefen konvektiven Aufwinden. Zusammengenommen belegen diese beiden unabhängigen Studien schlüssig, dass in den von Wissenschaftlern erwarteten Wolkenumgebungen tatsächlich ein extrem hohes Maß an Wasserdampfübersättigung vorliegt.
Die Forscher stellten fest, dass die stärkste Übersättigung tendenziell auftritt, wenn starke Aufwinde mit geringen Konzentrationen an Wolkentröpfchen kombiniert werden. Sobald die Konzentration der Wolkentröpfchen zunimmt, vergrößert sich die Gesamtoberfläche der Wolkentröpfchen, wodurch die Übersättigung durch beschleunigte Kondensation verringert wird, was völlig im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht.
Obwohl aus diesen Beobachtungen noch nicht direkt abgeleitet und nachgewiesen werden kann, dass Aerosole diese Wolken verstärken, legen sie einen äußerst kritischen Eckpfeiler fest: Der „atmosphärische Treibstoff“, der für die Anregung kondensierter Aerosole erforderlich ist, ist in echten tropischen Konvektionswolken vorhanden. Wenn in einer so hohen Übersättigungsumgebung feine oder ultrafeine Aerosolpartikel hinzugefügt werden, kondensieren diese leicht zu neuen Wolkentröpfchen und setzen zusätzliche latente Wärme frei. Frühere Studien konnten diesen Mechanismus nicht entdecken, hauptsächlich weil sie nicht das richtige Ziel fanden. Wenn wir das Geheimnis dieses Mechanismus wirklich aufdecken wollen, müssen sich zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen auf tiefe und saubere Konvektionswolken im Ozean konzentrieren und in nachfolgenden Flugmissionen die Unterschiede zwischen tropischen Konvektionswolken in sauberen und verschmutzten Umgebungen weiter vergleichen, um letztendlich das physikalische Verständnis der Menschheit für die Auswirkungen von Aerosolen auf Starkregen, Blitze und globale Klimavorhersagen zu verbessern.