CLOUD-Projekte erforschen am CERN die Entstehung von Aerosolpartikeln und Wolken sowie deren Einfluss auf das Klima

Cumulus, Stratus, Cirrus – Wolken treten in unterschiedlicher Form und Größe auf. Aber auch Ihre Entstehung ist unterschiedlich. Eines haben sie gemeinsam: Sie spielen eine entscheidende Rolle im Klimasystem. Zum Beispiel erzeugen Wolken Niederschlag, erwärmen die Atmosphäre, wenn Wasserdampf kondensiert, und haben einen starken Einfluss auf die Energieflüsse – sowohl der Sonnen- als auch der Infrarotstrahlung. Aber wie Wolken entstehen, ist noch nicht abschließend geklärt. Gerade vor dem Hintergrund des Klimawandels ist für die Forschung eine drängende Frage, wie sich Wolken verändern, wenn sich das globale Klima verändert. Um diese Fragen zu klären, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung seit 2009 das Verbundprojekt CLOUD. Nun starten die Projekte im September in die nächste Förderphase: In den kommenden drei Jahren werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am CERN – der Europäischen Organisation für Kernforschung – den Fragen nach der Entstehung von Wolken und deren Auswirkungen auf das Klima auf den Grund gehen. Ziel der CLOUD-Projekte ist es, Forschungsergebnisse darüber zu gewinnen, wie Wolken unter realen Bedingungen entstehen. Diese Entstehungsprozesse werden anschließend in Klimamodelle überführt und verbessern so erheblich die Simulationsergebnisse von Klimaszenarien. Im CLOUD-Verbundprojekt arbeiten Forschende der Goethe-Universität Frankfurt am Main, des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Prof. Dr. Joachim Curtius der Universität Frankfurt koordiniert die Projekte und erklärt: „Mit Hilfe des CLOUD-Experiments am CERN stellen wir unter sehr genau kontrollierten Laborbedingungen Prozesse nach, die in der Atmosphäre ablaufen. Insbesondere sind wir daran interessiert, wie sich flüssige und eisförmige Wolken und wie sich neue Aerosolpartikel bilden. Aerosolpartikel sind kleine flüssige oder feste Partikel wie etwa Staubkörnchen, die in der Luft schweben. Sie dienen als sogenannte Kondensationskeime für die Wolkenbildung. Ohne diese Teilchen kann keine Kondensation stattfinden."

Wissenschaftliche Experimente zur Wolkenbildung am CERN

In der 26 Kubikmeter großen CLOUD-Kammer erzeugt das Projektteam eine künstliche Atmosphäre, indem es reine Luft erzeugt und dann Spurengase wie Wasserdampf, Ozon, Ammoniak und Schwefelkomponenten hinzugibt und das UV-Licht der Sonne simuliert. Eine Besonderheit der CLOUD-Kammer ist, dass mit Hilfe eines Elementarteilchenstrahls vom CERN die Wirkung der kosmischen Strahlung auf die atmosphärischen Prozesse untersucht werden kann.

In dem Projekt legen die Forschenden den Fokus auf die Simulation von Regionen, in denen sehr tiefe Temperaturen vorherrschen – wie der Arktis, dem Südpolarmeer, aber auch in der Atmosphäre von acht bis zwölf Kilometern Höhe. Für diese Regionen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausfinden, was die entscheidenden chemischen Komponenten sind, die für die Neubildung von Aerosolpartikeln verantwortlich sind. Denn diese Neubildung wurde in diesen kalten Regionen immer wieder von der Forschung beobachtet.

Aus den Messungen können die Forschenden dann in späteren Simulationen verschiedene Temperaturen und Kombinationen von Spurengasen vorgeben und vorhersagen, welche chemischen Reaktionen sich wie schnell und wie viele neue Aerosolpartikel sich in der Atmosphäre bilden. „Unser Team möchte herausfinden, welche Rolle die menschengemachten Emissionen für diese Prozesse spielen – im Vergleich zu natürlich vorkommenden Substanzen", erklärt Prof. Dr. Joachim Curtius. „Die Ergebnisse dürften viel zu unserem grundlegenden Verständnis von Aerosolen, Wolken und deren Auswirkungen auf das Klima beitragen."