Forscher beobachten erste Schritte der Eisnukleation im Elektronenmikroskop Geburt einer Eiswolke - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher beobachten erste Schritte der Eisnukleation im Elektronenmikroskop

Geburt einer Eiswolke

Diese hohen Schleierwolken bestehen aus winzigen Eiskrstallen. Wie diese entstehen, haben Forscher nun erstmals live beobachtet. © DOE/PNNL

Wolkenbildung live: Forscher haben erstmals direkt beobachtet, wie die ersten Kristalle einer Eiswolke entstehen. Ihre Aufnahmen enthüllen, wie und wo sich die Wassermoleküle an winzige Schwebteilchen der Luft anlagern und so den Prozess der Wolkenbildung in Gang setzen. Wichtig ist dies deshalb, weil gerade die Cirren zur Klimaerwärmung beitragen.

Wir sehen sie typischerweise als dünne Schleierwolken hoch am Himmel: Cirren sind Wolken, die nicht aus Wassertropfen, sondern aus kleinen Eiskristallen entstehen. Sie sind für das Klima und die Atmosphäre von besonderer Bedeutung, denn in den Polargebieten finden in ihnen die ozonabbauenden Reaktionen statt und sie wirken wie eine Wärmedecke für die Erdatmosphäre.

Umso wichtiger ist es zu verstehen, wie solche Eiswolken entstehen. Schon bekannt war bisher, dass die Abgase von Flugzeugen, aber auch Schwebstoffe aus Meeresgischt und sogar aufgewirbelter Staub aus Ackerböden die Bildung von Cirren fördern können. Doch welche chemischen Prozesse genau bei der Bildung dieser Wolken ablaufen, war bisher nur zum Teil geklärt.

„Die Eis-Nukleation – der Moment, wenn die erste Gruppe von Wassermolekülen zusammenkommt, ist eine große Herausforderung“, erklärt Erstautor Bingbing Wang vom Pacific Northwest National Laboratory. „Dies ist der entscheidendste, aber am wenigsten verstandene Teil im Prozess der Cirrenbildung.“

Stratosphäre im Elektronenmikroskop

Um die allerersten Schritte bei der Geburt einer Eiswolke beobachten zu können, entwickelten die Forscher zunächst eine winzige Klimakammer in der Größe eines Mohnkörnchens. In dieser Minikammer konnten sie Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Druck gezielt so einstellen, dass die Bedingungen für die Cirrenbildung günstig waren.

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Als Keime für die Eisbildung gaben die Wissenschaftler wenige Mikrometer große Partikel aus Kaolinit in ihre Mini-Klimakammer und platzierten sie in der Probenkammer eines Rasterelektronen-Mikroskops (REM). Alle drei Sekunden machten sie eine Aufnahme der Partikel und konnten dabei selbst 50 Nanometer kleine Bereiche der Partikeloberfläche aufnehmen.

So beobachteten die Forscher die ersten Bildungsschritte einer Eiswolke© PNNL

An den Kanten zuerst

Es zeigte sich: Bei 70 bis 80 Prozent relativer Luftfeuchte und unterhalb von minus 68 Grad Celsius Kälte begannen die ersten Wassermoleküle, sich an die Kaolinitpartikel anzulagern. „Unsere Beobachtungen zeigen, dass sich das Eis bevorzugt an den Kanten der Kaolinitpartikel anlagert, nicht an ihren Flächen“, berichten die Forscher.

Wang und seine Kollegen vermuten, dass die chemische Beschaffenheit der Ecken, Vorsprünge und Kanten die Anlagerung der ersten Wassermoleküle besonders fördert. „Wahrscheinlich sind die OH- Gruppen an diesen Kanten gute Eisnukleations-Orte“, erklären sie.

Wichtig für die Klimaforschung

Zusätzliche Versuchsdurchgänge mit natürlich vorkommenden Schwebteilchen aus einer Atmosphärenprobe bestätigten, dass neben der Größe und chemischen Zusammensetzung auch die Form der Partikel eine wichtige Rolle dafür spielt, wie schnell sich Eiskristalle an diesen Nukleationskeimen bilden.

„Diese Beobachtungen sind ein wichtiger Schritt vorwärts in unserem Verständnis der Wolkenbildung und ihrer Vorhersage – und auch wichtig für die Klimaforschung“, konstatieren Wang und seine Kollegen. (Physical Chemistry Chemical Physics, 2016; doi: 10.1039/C6CP05253C)

(DOE/ Pacific Northwest National Laboratory, 03.04.2017 – NPO)

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