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Wolken im Labor

Alle reden übers Wetter und das Klima von morgen. Doch die Wolken als wesentlicher Faktor des Geschehens in der Atmosphäre geben immer noch viele Rätsel auf. Sie bedecken zwei Drittel der Erde und stehen in einer Wechselbeziehung zu Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Winden sowie zum Strahlungs- und Energiehaushalt der Erde. Forscher bemühen sich nun, ihr Verhalten genauer zu ergründen.
Wolkenbildung an einer Kaltfront (oben) bzw. Warmfront (unten). Cumulus: Haufenwolke bei schönem Wetter; ­Cumulonimbus: turmartige Regen-, Schauer- oder Gewitterwolke; Stratus: durchgehende Regenwolkenschicht (in ­Bergen: Hochnebel); Cirrostratus und Cirrus: Wolkenschleier bzw. Federwolke bei schönem Wetter. Aus [8].

Wolken sind Mittler zwischen Sonne und Erde. Sie nehmen die Sonnenstrahlen auf und spiegeln als Albedo einen Teil davon zurück ins Weltall. Die Wärmeabstrahlung der Erde reflektieren sie nach allen Seiten, also auch zur Erde zurück. Auf diese Weise beeinflussen sie den Strahlungshaushalt der Erde und der Atmosphäre maßgeblich. Sie spielen durch Verdunstung und Kondensation und den damit einhergehenden vertikalen Transport von Wasser und latenter Wärme eine zentrale Rolle in den globalen Wasser- und Wärmehaushalten. Sie setzen Kondensationswärme frei und beeinflussen die atmosphärische Zirkulation, die wiederum mit den Meeren wechselwirkt. Die Komplexität dieses Zusammenhangs wird sehr deutlich an der andersartigen Dynamik von Ozeanen und Atmosphäre: Die Meere sind sehr träge und reagieren auf äußere Einflüsse in Jahrzehnten. Die Luft bewegt sich jedoch in 20 Tagen einmal um die Erde. Die Wolken sind in diesem Zusammenspiel ein sehr wesentlicher Teil des Wetter- und Klimageschehens.

Cirren und Cumuli

Ob die Energiebilanz der Erde positiv oder negativ ist, hängt von der Höhe, der Dicke und den Strahlungseigenschaften der Wolken ab. So erwärmen hohe, dünne Cirren (Federwolken) die Erde. Durch ihre geringe optische Dichte reflektieren sie wenig Sonnenlicht. Da sie an der Erdseite genauso kalt sind wie zur Sonne hin, strahlen sie auch wenig terrestrische Strahlung zur Erde zurück. Dennoch ist die Bilanz beider Effekte positiv. Die tief liegenden dicken Cumuli (Haufenwolken) dagegen kühlen die Erde. Sie haben eine hohe Albedo, lassen also wenig Sonnenstrahlen durch, und strahlen viel Energie nach allen Seiten ab. Der innere Aufbau der Wolke – das heißt: die Verteilung des Wasserdampfs, die Größe und Beschaffenheit der Wassertropfen und Eiskristalle sowie die Art und Verteilung der Aerosole – entscheidet dabei über die Strahlungseigenschaften.

Cirrus


Doch immer höher steigt der edle Drang!

Erlösung ist ein himmlisch leichter Zwang.

Ein Aufgehäuftes, flockig löst sich’s auf,

Wie Schäflein trippelnd, leicht gekämmt zu Hauf.

So fließt zuletzt, was unten leicht entstand,

Dem Vater oben still zur Hand.

Johann Wolfgang Goethe

Aerosol

Der Begriff Aerosol – "in Luft gelöst" – beschreibt ein Gas (Medium) mit darin suspendierten festen und flüssigen Partikeln (disperse Phase). Häufig wird er aber auch für die disperse Phase selbst verwendet. Dazu zählen Mineralstaub, Meersalz und Ruß, aber auch Mineralsäuren. Die Partikel sind zwischen 0,01 und 1 μm groß (evtl. noch größer). Sie beeinflussen den Strahlungshaushalt der Atmosphäre massiv, doch weiß man über ihr Verhalten noch viel zu wenig, um es in die Wetter- und Klimamodelle korrekt einspeisen zu können.

Mit Radar und Satelliten

In der Nephologie (Wolkenkunde) laufen viele Forschungsprojekte (Tab. 1). Ihre Fernerkundung mit Radar und Satelliten hat das Verständnis sehr vertieft. Durch die Daten werden die Wetter- und Klimamodelle permanent verbessert. Diese beschreiben zwar die Wolkenstrahlungsprozesse sehr gut, doch deren Ursachen, die äußerst komplexen Vorgänge innerhalb der Wolken, sind noch schleierhaft. "Die Wolkenparametrisierungen beruhen zum Teil auf Annahmen, die auch mit globalen Beobachtungen nur schwer zu verifizieren sind" [5].

Die komplizierte Geometrie der Wolkenpartikel, die Überlappung verschiedener Wolkenschichten oder auch die mikrophysikalischen Prozesse des Wolkenwachstums und die thermodynamischen Prozesse der Hydrometeore – das sind alle festen und flüssigen Wasserteilchen in der Luft – sind ungenügend verstanden. Fernerkundungen durch Spektralanalysen reichen nicht aus, um die Dynamik der Vorgänge zu beschreiben. Deshalb wird beispielsweise im AFO2000-Projekt "4DWolken" gemeinsam von neun deutschen Universitäten und Forschungsinstituten ein dynamisches Wolkenmodell entwickelt.

Wolken und Wetter


Karlsruher Wolkenatlas www.wolkenatlas.de
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung www.tropos.de
Vertikator – Vertikaler Austausch und Orographie www.vertikator-afo2000.de

Wolken erwärmen die Erde mehr als Treibhausgase

Ohne eine exakte Messung des Strahlungs- und Energiehaushaltes der Wolken lässt sich die Energiebilanz nur vage schätzen.

Vor 20 Jahren behauptete man: Durch die Reflexion der Erdstrahlung erwärmen die Wolken die Erdoberfläche durchschnittlich um 31 W/m². Dagegen kühlen sie durch die Reflexion der Sonnenstrahlung die Erdoberfläche um – 48 W/m². Insgesamt bewirken sie also eine Abkühlung um – 17 W/m².

Diese Zahlen sind falsch. Messungen mithilfe von Flugzeugen haben ergeben, dass die bisher in den Modellen vernachlässigte Absorption im kurzwelligen Strahlungsbereich mit bis zu 15 W/m² zu Buch schlägt; das ist etwa zehnmal mehr, als die Treibhausgase CO2 , CH4 , N2 O und Halogene bewirken.

Ein wesentlicher Grund für die fehlerhafte Schätzung ist die Annahme einer sowohl horizontalen als auch vertikalen Homogenität der Wolken. Tatsächlich sind aber große und kleine Tropfen, die unterschiedliche Absorptionseigenschaften haben, inhomogen in der Wolke verteilt. Dennoch beruhen auch heute noch nahezu alle Fernerkundungsalgorithmen auf Berechnungen mit zweidimensionalen Modellwolken.

"Die Wolke ist das Schwarze Schaf der Klimaforschung. – Wer verstehen will, wie sie sich bildet oder auflöst, wie sie lebt, regnet, schneit oder hagelt, muss gleichzeitig Gase, Flüssigkeiten und Festkörper betrachten – und die Übergänge zwischen diesen drei Phasen. "


Jost Heintzenberg, 2006

Die "Kammer" ist ein Rohr

Das soll jetzt mit dem Wolkenlabor LACIS (Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator) anders werden, das 2007 am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT) in Leipzig eröffnet worden ist. Es beschränkt sich nicht auf die Untersuchung von Wolken, denn auch unsichtbare Luft enthält aggregierte Wassermoleküle; der Unterschied ist in erster Linie quantitativ. Die Wolkenbildung ist ein thermodynamischer Prozess, der von den Aerosolen als Kondensationskeimen für Tropfen und Eiskristalle ausgeht.

Durch die Emission von Gasen und Partikeln, vor allem durch Verbrennungsprozesse, verändert der Mensch die Bildung und die Eigenschaften von Wolken und nimmt damit Einfluss auf die räumliche Verteilung und Intensität von Niederschlägen und letztlich auf das Klima. Die Gruppe um den IfT-Leiter Professor Jost Heintzenberg hat dies bereits in Indien, Korea und China untersucht, wo riesige Rauchfahnen das Wetter großräumig und nachhaltig verändern. Nun will sie die Schlüsselprozesse in den Wolken aufklären.

Das in einem 16 m hohen, preisgekrönten Gebäude untergebrachte LACIS besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: einem Partikelerzeuger, einer Wolkenkammer, die trotz ihres Namens nur ein bleistiftdünnes, 8 m hohes Strömungsrohr ist, und vielen Sensoren und Analysengeräten drum herum. So lässt sich das atmosphärische Verhalten von Aerosolen und Wasserdampf simulieren. Untersucht werden beispielsweise

  • der Einfluss atmosphärischer Spurengase wie HCl oder HNO3 auf das Wachstum von Partikeln und Tropfen und
  • die Einflüsse der chemischen Zusammensetzung und Form der Partikel auf das Gefrieren von Wassertropfen.

Jedes Teilchen zählt

Die Partikel werden im LACIS je nach Fragestellung mithilfe von Zerstäubern, Funkengeneratoren oder durch Verdampfen erzeugt. Aus den generierten Aerosolen kann eine monodisperse Partikelfraktion mittels eines DMA (Differentieller Mobilitätsanalysator) selektiert werden. Die Partikel im Aerosol werden mit dem CPC (Condensation Particle Counter) gezählt, bevor sie mit feuchter Luft ("Schleierluft") in die Wolkenkammer geblasen werden. Diese ist von einem exakt temperierbaren Wassermantel umhüllt. Auch der Luftdruck ist einstellbar.

Wenn Aerosol und Schleierluft in eine wärmere Wolkenkammer gelangen, sinkt die relative Luftfeuchte; allmählich nehmen die Partikel Feuchtigkeit auf und wachsen dadurch. Wenn die Wolkenkammer kälter ist als Aerosol und Schleierluft, steigt die relative Luftfeuchte; wenn sie den Taupunkt erreicht, bilden sich an den Partikeln in einem bestimmten Größenbereich Wassertropfen. Neben dem hygroskopischen Wachstum der Partikel und der Bildung von Wassertropfen wird auch das Gefrieren der Tropfen untersucht.

Die Leipziger Wolkenkammer ist einmalig auf der Welt. Vielleicht wird es mit ihr gelingen, den Streit um die Klimaänderung zu versachlichen. Zumindest trägt sie dazu bei, die Klimamodelle zu verbessern.


Literatur

[1] Axel Seifert: Simulation konvektiver Mischwolken mit einem Zwei-Momenten-Schema der Wolkenmikrophysik. DMG-Mitteilungen 04/2004, S. 12 –15.

[2] Hartmut Graßl: Messnetze zur Untersuchung des Klimas: Standardisieren, Automatisieren, Globalisieren. Ohne Ort, 2002.

[3] Karin Leonhard: Wolken modellieren. In: Lorenz Engell et. al. (Hrsg): Wolken. Verlag der Bauhaus-Universität, Weimar 2005, S. 95 –105.

[4] Nicole Riemer: Numerische Simulationen zur Wirkung des Aerosols auf die troposphärische Chemie und die Sichtweite. Diss. Univ. Karlsruhe, 2002.

[5] Steffen Meyer: Einfluss der Wolkenstruktur auf die reflektierte solare Strahldichte inhomogener Bewölkung. Diss. Univ. Kiel, 2006.

[6] Tobias Zinner: Fernerkundung inhomogener Bewölkung und deren Einfluss auf die solare Strahlungsbilanz. Diss. Univ. München, 2004.

[7] Uwe Schulte: Streit um heiße Luft. Hirzel, Stuttgart 2003.

[8] Gerhard Müller-Westermeier: Wetter und Klima in Deutschland. 4. Aufl., Hirzel, Stuttgart 2006.


Dr. Uwe Schulte

Händelstr. 10, 71640 Ludwigsburg

schulte.uwe@t-online.de

Tab. 1: Projekte zur Untersuchung der Atmosphäre (Auswahl)
Projekt
Verfahren
Bemerkung
HochTrans – Hochreichende Transportprozesse*
Polarisations-Doppler-Radar (POLDIRAD),
Bistatisches Radar-netzwerk u. a.
Untersuchung der Austauschprozesse bodennaher Schadstoff-belasteter Luft mit höheren Luftschichten; vor allem Ansaugwirkung der Alpen auf das nördliche Alpenvorland. – Mit polarimetrischem Radar lassen sich Niederschlagsteilchen wesentlich besser bestimmen und quantifizieren als mit konventionellem Radar, vor allem bei Gewitter. Die Dopplereigenschaften dienen der dreidimensionalen Bestimmung der Windströmungsfelder.
TAO – Tropical Atmosphere Ocean**
Bojennetzwerk im ganzen tropischen Pazifik
Messung von Daten der Luft und des Meeres bis in 100 m Tiefe: für gekoppelte Ozean-Atmosphären-Modelle.
ACTOS – Airborne Cloud Turbulence Observation System
Sonde an 140 m
langem Seil unter
Hubschrauber
Messung der Thermodynamik und der Turbulenzen von Wolken. Durch die niedrigere Geschwindigkeit im Vergleich zum Flugzeug ist eine höhere räumliche Auflösung möglich.
Satelliten in geostationärer Umlaufbahn
Messung atmosphärischer Daten aus 36.000 km Höhe
Meteosat (seit 1986), Jason (seit 2001), MetOp (seit 2006), CloudSat, Calipso (weltweite Wolkenkartierung, seit 2006)
IASI – Infrared Atmospheric Sounding Interferometer
Messung atmosphärischer Daten durch Satelliten in 800 km Höhe
Messung von aufsteigender Infrarotstrahlung, Temperatur und Luftfeuchte in kleineren Gebieten, aber mit sehr großer Auflösung. Erster Satellit MetOp-A (seit 2006)
Virtuelle Satelliten
Simulation der Messungen der IASI-Satelliten
Schätzung der Temperatur- und Wasserdampfprofile der Atmosphäre und Vergleich mit den IASI-Messungen (s. o.)
** Teil des Projekts VERTIKATOR – Vertikaler Austausch und Orographie ** Teil des Projekts TOGA – Tropical Ocean Global Atmosphere

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