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PSI-Forscher Martin Gysel erhält angesehene europäische Förderung (ERC Consolidator Grant) für Untersuchungen zur Rolle von Russ für Wolkenbildung und Atmosphärenerwärmung. Russpartikel, die etwa bei der Verbrennung von Holz oder Dieselkraftstoff entstehen, beeinflussen das Klima. Wie gross deren Rolle dabei ist wird ein Forschungsteam des Paul Scherrer Instituts PSI um den Umweltphysiker Martin Gysel in einem neuen Projekt untersuchen, das durch einen ERC Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrates mit 2 Millionen Euro gefördert wird.
Das Projekt soll zum Beispiel untersuchen, wie Russ die Entstehung verschiedener Wolken beeinflusst. Werden die Eigenschaften der Wolken durch menschengemachte Partikel verändert, dann wirkt sich das auch auf das Klima aus.
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Für ihre Untersuchungen werden die Forschenden auf dem Jungfraujoch direkt die Eigenschaften echter Wolken untersuchen, in die die Berge oft gehüllt sind. Die Ergebnisse sollen helfen, Computermodelle zu verbessern, mit denen Entwicklungen in der Atmosphäre vorausgesagt werden. Korrekte Voraussagen sind wichtig, wenn man einschätzen will, welche Massnahmen gegen die Klimaerwärmung nötig und besonders wirksam sind. Die dünnflüssigen, hochgelegenen Eisfäden sind wichtige Bestandteile des Klimasystems. Sie regeln die Menge der von der Erde in den Weltraum abgestrahlten Wärmestrahlung. Die Dissertation von Robert David, geleitet von Zamin Kanji und Claudia Marcolli aus dem Institut für Atmosphäre und Klima (IAC) fand heraus, dass der bisher bekannte Mechanismus der Eisbildung unter feuchten, aber ungesättigten Bedingungen, unter denen sich Zirruswolken bilden, neu interpretiert werden muss.
Bestehendes Erklärungsmodell ungenügend
Bisher gingen Forschende davon aus, dass wenn die Luft nicht feucht genug war, um mit Wasser gesättigt zu werden, sich das Eis in den Wolken direkt aus Wasserdampfmolekülen bildete, ohne eine Phase als flüssiges Wasser durchlebt zu haben. Diese Erklärung passte jedoch nicht zu ihren Beobachtungen und molekularen Modellen, schreiben die Forschenden der ETH Zürich, der University of Utah und der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Wädenswil.
In einem sogenannten Nukleationsprozess bildet sich Eis auf Staubpartikeln und anderen Materialien in der Atmosphäre. Partikel mit Poren – eine Art Mini-Schwämme – sind dabei sehr viel effizienter im Bilden von Eispartikeln sind als Partikel ohne Poren. So kam das Forscherteam zum Schluss, dass Wasserdampf in den winzigen Poren kondensieren kann und dass die Eiskristalle aus flüssigem Wasser entstehen – nicht aus Dampf.
Porenkondensation und Gefrieren
Selbst wenn die Luft nicht vollständig mit Wasser gesättigt ist, kann Dampf in kleinen Partikelporen kondensieren und dazu beitragen, Eiskristalle zu bilden. Experimente mit molekularen Simulationen und mit synthetisierten porösen Partikeln bestätigten diese Hypothese. Der Prozess der Porenkondensation und des Gefrierens kann auch in anderen Wolkenbildungsprozessen eine Rolle spielen, betont das Autorenteam. Er ist ist somit ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Bildung von kalten Wolken und ihrer Auswirkung auf das Klima.
Originalpublikation
David RO, Marcolli C, Fahrni J, Qiu Y, Perez Sirkinc YA, Molinero V, Mahrt F, Brühwiler D, Lohmann U, Kanji Z: Pore Condensation and Freezing is Responsible for Ice Formation below Water Saturation for Porous Particles. PNAS (2019), April 2019, doi: 10.1073/pnas.1813647116
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