Wolken untersuchen, um den Klimawandel zu begreifen

Das Klima der Erde funktioniert wie ein riesiges Puzzle, und um all die verschiedenen Mechanismen zu verstehen, die daran beteiligt sind, müssen riesige Datenmengen zusammengesetzt werden. Die Entwicklung zuverlässiger Klimamodelle setzt voraus, dass man die genaue Rolle der Wolken versteht, was derzeit nicht der Fall ist. Um diese Lücke zu schliessen, hat ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern – darunter Forschende des Laboratory of Atmospheric Processes and their Impacts (LAPI) und des Environmental Remote Sensing Laboratory (LTE) der EPFL – vor kurzem Luftmessungen in einem noch nie dagewesenen Umfang durchgeführt.

Die Messstation auf dem Berg. ©2021 LAPI/EPFL

Das Forschungsprojekt trägt den Namen CALISHTO, eine Abkürzung für Cloud-AerosoL InteractionsS in the Helmos background TropOsphere. Die Messungen wurden im Herbst 2021 auf dem Berg Helmos im Herzen des Peloponnes durchgeführt. Die Forschenden verbrachten Monate damit, die verschiedenen Arten von Partikeln in der Luft zu verschiedenen Tageszeiten akribisch zu vermessen, zu zählen und zu charakterisieren. Diese mikroskopisch kleinen Partikel, die auch als Aerosole bezeichnet werden, sind wichtig, weil sie als «Samen» für Wolken dienen.

«Ohne Aerosole gäbe es kaum Wolken am Himmel», sagt Athanasios Nenes, der Leiter des LAPI und einer der Organisatoren von CALISHTO. «Wasserdampf kondensiert an diesen Partikeln und bildet Tröpfchen und Eiskristalle, die wir als Wolken sehen. Und die Art der gebildeten Wolken kann je nach Anzahl der Aerosole, ihrer Grösse und ihren chemischen Eigenschaften sehr unterschiedlich sein. Sandpartikel aus der Sahara haben beispielsweise eine ganz andere Wirkung auf Wolken als solche, die durch Waldbrände entstehen. Genau das wollten wir mit dieser Messkampagne untersuchen».

Auf dem Dach der Station. ©2021 LAPI/EPFL

Das Verständnis des Prozesses der Wolkenbildung ist besonders wichtig, da die Wolken eine wesentliche Rolle im Klimasystem und damit auch beim Klimawandel spielen. Wolken bilden einen Schleier über der Erde und reflektieren grosse Mengen der einfallenden Sonnenstrahlung zurück in den Weltraum, was als Albedo-Effekt bezeichnet wird. Sie fangen auch einen Teil der längerwelligen Strahlung (Infrarotstrahlung) ab, die von der Erdoberfläche ausgestrahlt wird, und halten einen Teil der Wärme in der Atmosphäre zurück. Darüber hinaus sind Wolken an der Regulierung und Verteilung von Niederschlägen und dem Wasserkreislauf im Allgemeinen beteiligt, was bedeutet, dass sie einen direkten Einfluss auf die Süsswasserversorgung vieler Ökosysteme und der Landwirtschaft haben.

Die drei Organisatoren: Athanasios Nenes, Alexandros Papayannis und Kostas Eleftheriadis. ©2021 LAPI/EPFL

Ein kritischer Faktor

Trotz dieser wichtigen Rolle, die Wolken spielen, gibt es immer noch grosse Unsicherheiten bei der Berücksichtigung von Wolken in Klimamodellen – vor allem, wenn man die vielen verschiedenen Wechselwirkungen und chemischen und physikalischen Prozesse berücksichtigt, die alle auf der Mikroskala stattfinden, die viel kleiner ist als jedes Klimamodell auflösen kann.

Was den Berg Helmos für die Wolken- und Klimaforschung besonders interessant macht, ist die Tatsache, dass er an der Kreuzung vieler verschiedener Luftströmungen liegt. Er liegt im nördlichen Teil der Halbinsel Peloponnes in Griechenland und ist ein idealer Standort für das Sammeln und Messen einer Vielzahl von Partikeln aus Kontinentaleuropa, aus nahe gelegenen Gebieten sowie von Meerespartikeln aus dem Mittelmeer und Staub aus der Sahara. Der Standort befindet sich oft in der Ebene der Wolkenbildung und bietet daher die einzigartige Möglichkeit, direkt zu beobachten, wie sich die Wolkeneigenschaften mit den in der Luft vorhandenen Partikeln verändern.

Am Ende der Kampagne herrschten in der Station echte Winterbedingungen. ©NCSR Demokritos

Kostas Eleftheriadis, Forschungsdirektor am NCSR Demokritos, Mitorganisator der Kampagne und Initiator des Standorts am Berg Helmos: «Unsere Messstation ist die einzige ihrer Art. Wir waren in der Lage, die atmosphärischen Prozesse zu beobachten, die bestimmen, was mit den anthropogenen und natürlichen Emissionen von Partikeln und Treibhausgasen im gesamten östlichen Mittelmeerraum geschieht. Diese Daten werden uns helfen, die Gesamtauswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt zu verstehen, sowohl in unserer Region als auch anderswo.»

«Unsere Messstation befindet sich in einer Höhe von 2300 Metern und ermöglicht es uns zu beobachten, wie zwei unterschiedliche Luftschichten miteinander interagieren – eine untere, in der sich die gesamte anthropogene Verschmutzung ansammelt, und eine obere, in der die Luft viel sauberer ist, mit den Wolken in der Region», sagt Ghislain Motos, Wissenschaftler am LAPI. Die Beobachtung dieser enormen Vielfalt an Wolkenbildungsbedingungen über längere Zeiträume ermöglicht es, die Prozesse zu verstehen, die bei Wolken auf der ganzen Welt ablaufen.

Fast drei Dutzend Instrumente

Die Forschenden installierten fast drei Dutzend hochmoderne Forschungsinstrumente auf dem Berg Helmos und in der Umgebung. Einige sammelten Daten zu atmosphärischen Faktoren wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Sonnenlicht, während andere Gase wie Ammoniak und Aerosoleigenschaften wie Grösse, Anzahl, Hygroskopizität, chemische Zusammensetzung, Dichte, optische Eigenschaften und sogar biologischen Gehalt massen. Die Fähigkeit von Aerosol, Wolkentröpfchen und Eiskristalle zu bilden, wurde direkt mit einem von Nenes mitentwickelten Wolkenkondensationskernzähler und einem neuen Eiskernzähler gemessen, über den weltweit nur wenige Gruppen verfügen.

Das Forschungsteam setzte auch Fernerkundungssysteme ein, die wichtige Informationen zur Ergänzung der auf dem Berggipfel durchgeführten Messungen liefern. «Wir verwenden LIDAR-Systeme, die Laserlicht in die Atmosphäre senden, um Informationen über die vertikale Verteilung der Partikel von der Bodennähe bis in 10-15 km Höhe zu erhalten. Dies ermöglicht die Charakterisierung von Luftmassen, die über der Helmos-Station ankommen, und hilft zu bestimmen, woher die Partikel kommen», sagt Alexandros Papayannis, Leiter der Abteilung für Laser-Fernerkundung an der Nationalen Technischen Universität Athen, Mitglied des LAPI und Mitorganisator von CALISHTO.

Von links nach rechts: Olga Zografou (NCSR Demokritos), Georgia Sotiropoulou (CSTACC/FORTH, LAPI/EPFL) und Paraskevi Georgakaki (LAPI/EPFL) bei der Arbeit in der Station. ©2021 LAPI/EPFL

Bisher haben die Forschenden festgestellt, dass Staubpartikel aus der Sahara die Eiskonzentration in Wolken erheblich erhöhen können, was deren Fähigkeit zu regnen und zu schneien stark fördert. Interessanterweise steigt mit dem Staub auch die Konzentration der biologischen Partikel. Wenn man bedenkt, dass biologische Partikel als hervorragende Eiskernbildner fungieren und die Eisvermehrung fördern können, bedeutet dies, dass Aerosole zu noch intensiverem Regen und Schnee führen können? Die endgültige Analyse wird in ein paar Monaten vorliegen.