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Sonntag, 17.12.2017
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Blütenstaub lässt Wolken gefrieren

Makromoleküle von der Pollenoberfläche wirken als Nukleationskeime

Pollen haben nicht nur empfindliche Auswirkungen auf die Nasen von Allergikern, sondern auch auf Wetter und Klima: Denn Blütenpollen können für das Gefrieren von Wolken verantwortlich sein und damit einen wichtigen Einfluss auf das Klima ausüben. Das haben Forscher der TU Wien herausgefunden. Bisher hatte man diesen Effekt für sehr gering gehalten, weil in großer Höhe kaum noch Pollen zu finden sind. Jetzt zeige sich, dass schon die auf der Pollenoberfläche sitzenden Makromoleküle allein das Gefrieren auslösen können. Sie würden auch bis in große Höhe transportiert, berichten die Forscher im Fachjournal „Atmospheric Chemistry and Physics“.
Oberflächenstruktur eines Salweide-Pollenkorns

Oberflächenstruktur eines Salweide-Pollenkorns

Eine Temperatur von weniger als 0 Grad Celsius reicht nicht unbedingt aus, um Wasser gefrieren zu lassen. Ein Wassertröpfchen braucht außerdem einen sogenannten Nukleationskeim – eine mikroskopisch kleine Struktur, an der sich die Wassermoleküle orientieren können, um Eiskristalle zu bilden. Das Prinzip kann bei Schneekanonen genützt werden, bei denen dem versprühten Wasser Fragmente des Bakteriums Pseudomonas syringae als Nukleationskeime zugesetzt wird. Bei den Wassertropfen von Wolken in großer Höhe ist es genauso. „Organische Materialien spielen dabei eine große Rolle“, erklärt Professor Hinrich Grothe vom Institut für Materialchemie, „wir haben daher untersucht, wie sich Pilzsporen und Blütenpollen auf den Gefrierprozess auswirken.“

Pollen haben eine komplizierte Oberflächentextur, die sie zu guten Nukleationskeimen macht. Obwohl die Pollenkörner nur einige Hundertstel eines Millimeters groß sind, macht sie dies aber zu schwer, um sich bis in große Höhen zu verteilen. In mehr als fünf Kilometer Höhe sind sie daher kaum noch zu finden. Man nahm daher lange Zeit an, dass sie für das Gefrieren der Wolken keine große Bedeutung haben, auch wenn sich manche von ihnen gut als Nukleationskeime eignen.

Makromoleküle steigen auch ohne Pollenkorn auf


„Wir haben nun aber gezeigt, dass das nicht stimmt“, berichtet Bernhard Pummer vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Die Pollen haben an ihrer Oberfläche Makromoleküle, die sich leicht ablösen lassen. Verwendet man nur diese Makromoleküle und lässt den Pollenkörper weg, ist die Nukleationswirkung genauso groß, als würde man die vollständigen Pollen verwenden. Einige dieser Makromoleküle sind also für das Gefrieren der Wolkentröpfchen verantwortlich.“ Diese können mühelos bis in die obere Troposphäre in mehr als zehn Kilometer Höhe vordringen und dort Wolken zum Gefrieren bringen – der Pollenkörper wird dafür gar nicht benötigt.


Für die Klimaforschung ist das ein wichtiger Punkt: Einerseits beeinflusst das Gefrieren von Wolken die Niederschlagsmenge, andererseits ändert sich dadurch auch die Reflektivität der Wolke – die sogenannte Albedo. Gefrorene Wolken reflektieren das Sonnenlicht besser ins All zurück, die Erde wird dadurch abgekühlt.

Künstliche Wolken im Ölbehälter


Untersucht hat Pummer die Nukleationsprozesse im Labor: Statt Wassertropfen in der Luft untersuchte er Wassertröpfchen in Öl. Den Wassertröpfchen werden entweder Pollen oder deren Oberflächen-Makromoleküle zugesetzt, die Emulsion wird abgekühlt und die Gefriertemperatur gemessen. „Unterschiedliche Pollen lassen das Wasser bei unterschiedlicher Temperatur gefrieren – doch zwischen den Pollenkörpern und den körperlosen Oberflächenmolekülen gibt es keinen signifikanten Unterschied“, berichtet Pummer.

Dass bestimmte Pflanzen Pollen hervorbringen, die sehr effizient im Gefrierenlassen von Wassertropfen sind, findet Hinrich Grothe durchaus naheliegend: Die Eisschicht rund um die Pollen könnte eine Schutzfunktion ausüben und somit für die Pflanze nützlich sein. Die genaue chemische Struktur der vielen unterschiedlichen Moleküle ist bisher noch nicht genau geklärt. „Es dürften Polyzucker sein“, vermutet Grothe, doch hier gibt es noch viel zu forschen.
(Atmospheric Chemistry and Physics, 10.07.2012 - NPO)
 
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