Luftwirbel als Geburts-Helfer für Aerosole

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat erstmals die Bildung neuer Aerosolpartikel durch Verwirbelungen in höheren Luftschichten vom Hubschrauber aus beobachtet. Die Entstehung solcher Teilchen wurde bisher vor allem in bodennahen Schichten verfolgt.

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Neu gebildete Partikel sind zwar am Anfang nur einige Nanometer groß. Sie können aber innerhalb weniger Stunden schnell anwachsen und dann sowohl als Kondensationskeime zur Wolkenbildung als auch zum Zurückstreuen des Sonnenlichts beitragen. Es sei wichtig, diese Prozesse zu verstehen, um die direkten und indirekten Effekte der wenige Nanometer kleinen Partikel auf das Klima zu erkennen, schreiben die Forscher im Fachblatt „Atmospheric Chemistry and Physics“.

Möglich wurden die neuen Ergebnisse durch den Einsatz eines Partikelzählers an Bord des Hubschraubers in Kombination mit bodengestützten Lasern und anderen Messinstrumenten während einer Feldkampagne in der Nähe der niederländischen Stadt Utrecht.

Lokale Anhäufung von Partikeln

Am Morgen des 13. Mai 2008 beobachteten die Wissenschaftler eine Anhäufung von Partikeln in 700 Metern Höhe in einer Luftschicht, die durch zwei Inversionen nach unten und oben isoliert war. „Aus den vertikalen Profilen und der Schichtung vermuten wir, dass diese lokale Anhäufung an Partikeln auf neu gebildete Partikel zurückzuführen ist, die sich durch lokale Prozesse wie die Verwirbelung der Luft zwischen den Sperrschichten gebildet haben“, erklärt Birgit Wehner vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT).

„Aus unseren Beobachtungen war es nicht möglich, das genaue Alter der Teilchen zu bestimmen. Aber normalerweise wachsen diese ein paar Nanometer pro Stunde. Wir schätzen daher, dass die Partikel also nur eine Stunde oder sogar noch jünger waren.“

Dicke Luft über Utrecht

Die Analyse der frühsommerlichen Hochdruck-Wetterlage ergab, dass die Luft aus Dänemark nach Utrecht kam und dabei über das Ruhrgebiet zog – also alles andere als sauber war. Ihre Entdeckung erklärt das Forscherteam aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Finnland damit, dass die kleinräumigen Luftverwirbelungen vermutlich zu einer Übersättigung an möglichen Vorläufergasen führt, die entscheidend für die Bildung neuer Partikel sind.

Unter Atmosphärenforschern herrscht Einvernehmen, dass Schwefelsäure und Wasserdampf wahrscheinlich die entscheidenden Faktoren sind, die zur Nukleation und damit zur Partikelbildung führen. Genauso unbestritten ist, dass organische Dämpfe zum Wachsen der Partikel beitragen. Dennoch gibt es noch große Wissenslücken und diese Prozesse sind bisher nicht im Detail verstanden. Wegen der Bedeutung dieser winzigen Aerosolpartikel auf das Klima der Erde untersuchen daher weltweit Forscher diese Prozesse.

Möglich wurden die neuen Beobachtungen vor allem durch den Einsatz der Beobachtungsplattform ACTOS, die am IfT entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Minifluggerät, dass verschiedene Messgeräte beherbergt und von einem Hubschrauber in die unterschiedlichen Luftschichten transportiert wird. © Birgit Wehner / IfT

Fehlinterpretationen vermeiden

„Unsere Beobachtungen sind wichtig für die Interpretation vieler bereits veröffentlichten Bodenstudien über die Neubildung von Partikeln. Ohne Kenntnisse über die Prozesse in der Höhe können die Beobachtungen von Boden aus schnell zu Fehlinterpretationen führen“, so Holger Siebert, der seit vielen Jahren Erfahrungen mit Hubschraubermessungen hat, über die Bedeutung der Studie.

Die Messungen wurden während der Feldkampagne „Intensive Oberservation Period at Cabauw Tower“ (IMPACT) in der Nähe von Utrecht in den Niederlanden durchgeführt. Dort befindet sich ein über 200 Meter hoher Messturm, der von sieben Niederländischen Instituten zusammen betrieben wird und der zu den wichtigsten Plätzen der Atmosphärenforschung weltweit zählt. Ergänzt wurden die Messungen von einem LIDAR – also einem Laser, mit dem die Eigenschaften der untersten Luftschichten vom Boden aus erkundet werden.

Minifluggerät mit Messinstrumenten bestückt

Möglich wurden die neuen Beobachtungen vor allem durch den Einsatz der Beobachtungsplattform ACTOS, die am IfT entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Minifluggerät, dass verschiedene Messgeräte beherbergt und von einem Hubschrauber in die unterschiedlichen Luftschichten transportiert wird.

Dabei hängt es an einem über 140 Meter langen Seil, damit die Rotorblätter des Hubschraubers die Messung nicht verfälschen. Auf diese Weise sind Vor-Ort-Untersuchungen der Luft bis in Höhen von etwa drei Kilometern möglich. So hatte ACTOS beispielsweise einen Partikelzähler an Bord, der Ultrafeinstaub von sechs Nanometern bis zu 2,5 Mikrometern Größe erfasst – also 1.000-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Rätsel um Nukleationsprozess

„Dennoch ist der Nukleationsprozess an sich eine offene Frage, denn es fehlen Möglichkeiten, die Vorläufergase direkt vor Ort in der Luft zu messen. Unser Ziel ist es daher, in Zukunft die Partikel, und die Luftverwirbelungen in noch höherer räumlicher Auflösung gleichzeitig messen zu können“, erzählt Siebert über die künftigen Pläne.

So wird bei der nächsten Messkampagne, die im April 2011 auf Barbados stattfindet, eine noch besser ausgestattete Version von ACTOS zum Einsatz kommen. Auf der Karibikinsel Barbados wollen die Forscher die Bildung von Passatwolken genauer unter die Lupe nehmen, über die ebenfalls noch wenig bekannt ist. (Atmospheric Chemistry and Physics, 2011; http://dx.doi.org/10.5194/acp-10-4319-2010)

(Leibniz-Institut für Troposphärenforschung, 28.03.2011 – DLO)