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Klimamodelle unterschätzen winzige Wolkenkeime über dem Meer
Winzige Wolkenhelfer: Über dem Meer bilden organische Partikel aus der Gischt einen Teil der Keime für Wolkentropfen. Neue Messungen an Irlands Atlantikküste legen nahe, dass verbreitete Klimamodelle ihre Zahl um etwa den Faktor drei unterschätzen. Das könnte auch bedeuten, dass die natürliche Kühlwirkung heller Meereswolken bisher nicht ausreichend berücksichtigt wird.
Xiamen (China). Niedrige Wolken über den Ozeanen wirken wie ein Sonnenschirm: Sie reflektieren einen Teil des Sonnenlichts zurück ins All. Wie hell diese Wolken erscheinen, hängt unter anderem von der Zahl ihrer Wassertröpfchen ab. Damit solche Tröpfchen entstehen können, muss Wasserdampf an winzigen Schwebeteilchen kondensieren.
Viele dieser sogenannten Kondensationskeime entstehen aus Meeresgischt. Wenn Luftblasen an der Meeresoberfläche zerplatzen, gelangen neben Salz auch organische Stoffe von Algen und Mikroorganismen in die Atmosphäre. Doch wie zahlreich diese organischen Aerosolpartikel sind und welche Größen sie haben, ließ sich bisher nur unzureichend bestimmen. Klimamodelle leiten ihre Anzahl deshalb häufig indirekt aus der gesamten Partikelmasse ab.
Forscher am Institute of Urban Environment (IUE) um Prof. Wei Xu haben nun solche marinen primären organischen Aerosole, kurz mPOA, genauer untersucht. Grundlage waren längerfristige Messungen an der Forschungsstation Mace Head an Irlands Westküste, die häufig vergleichsweise saubere Luft vom Nordatlantik erhält.
Um die organischen Teilchen vom Meersalz und anderen Aerosolen zu unterscheiden, nutzte das Team deren unterschiedliche Wasseraufnahme. Bei 90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit quellen Salz- und Sulfatpartikel deutlich stärker auf als die organischen Aerosole. Die Forscher kombinierten diese Eigenschaft mit Messungen von Anzahl, Größe und chemischer Zusammensetzung sowie einer computergestützten Zuordnung der Partikelquellen. So erfassten sie die Größenverteilung bis hinunter zu 35 Nanometern.
Die Analysen enthüllten zwei Häufigkeitsgipfel: einen bei rund 60 Nanometern und einen weiteren bei etwa 150 Nanometern. Eine in mehreren verbreiteten Modellen verwendete Beschreibung sieht dagegen nur einen Gipfel bei ungefähr 120 Nanometern vor. Ausgerechnet die kleinere Teilchengruppe fehlt darin weitgehend.
Für organische Meeresaerosole mit mehr als 35 Nanometern Durchmesser ergaben die Messungen ungefähr 3,1-mal so viele Teilchen wie diese Modellbeschreibung. Im Bereich von 30 bis 70 Nanometern war die Abweichung mit dem Fünf- bis Siebenfachen sogar größer. Weil für die Bildung von Wolkentröpfchen vor allem die Zahl geeigneter Keime zählt, könnten damit auch deutlich mehr organische Teilchen zur Wolkenbildung beitragen als bislang angenommen.
Was bedeutet das für die Strahlungsbilanz der Erde? Um die mögliche Wirkung abzuschätzen, verknüpfte das Team Satellitendaten zu Meereswolken mit Modellrechnungen. Demnach könnten die bisher nicht berücksichtigten Partikel über den Ozeanen einen zusätzlichen kühlenden Strahlungseffekt von etwa −0,03 bis −0,04 Watt pro Quadratmeter bewirken. Das negative Vorzeichen in der wissenschaftlichen Angabe bezeichnet dabei eine Verringerung der aufgenommenen Strahlungsenergie.
Über biologisch produktiven Meeresgebieten könnte die zusätzliche Kühlwirkung mit 0,1 bis 0,2 Watt pro Quadratmeter stärker ausfallen. Diese höhere Schätzung setzt allerdings voraus, dass organische Stoffe die Oberflächenspannung der entstehenden Tröpfchen verringern und dadurch ihre Bildung erleichtern. Die Zahlen stammen aus einer Sensitivitätsrechnung, nicht aus einer direkten Messung der weltweiten Wolkenkühlung.
Die wichtigste Einschränkung: Die Messdaten stammen von einem einzigen Standort im Nordatlantik. Ob die gefundene Größenverteilung auch für andere Meeresgebiete gilt, ist offen. Andere Planktongemeinschaften, Windverhältnisse und die chemische Alterung von Partikeln könnten das Bild verändern.