Wetter: Himmel, diese Wolken

Die teils noch ungeklärten Prozesse bei der Wolkenbildung erweisen sich als einer der Schlüsselpunkte bei der Verbesserung von Klimarechenmodellen. Wird der Mensch irgendwann das Wetter beeinflussen können?

Was ist das bloß für ein Sommer? Kühl und regnerisch wie im April. Kaum scheint kurz die Sonne, sind gleich wieder Wolken da. Ob in diesem oder in den vergangenen Sommern – das Gefühl, dass das Wetter noch normal ist, will sich einfach nicht einstellen. Im Sommer 2002 wurden weite Teile Europas von Überschwemmungen heimgesucht, wie sie in diesem Ausmaß nur alle paar hundert Jahre vorkommen; im Vorjahressommer stöhnte dann der Kontinent unter einer Hitzewelle, wie es sie in den vergangenen tausend Jahren nicht gegeben hat.

Christoph Schär, Atmosphärenforscher an der ETH Zürich, sagte schon im vergangenen Jänner im Wissenschaftsjournal „nature“ voraus, dass die Schwankungen zunehmen werden, dass jeder zweite Sommer trocken und heiß sein und dass es dazwischen immer auch kühle und feuchte Sommer geben werde.

Während sich die Behörden in Frankreich und Italien durch Erstellen von Alarmplänen bereits auf neue Hitzewellen einstellen, versuchen Forscher ihre Instrumente für genauere Vorhersagen zu schärfen. „Der Teufel sitzt in den Wolken“, titelte die vorwöchige Europa-Ausgabe des US-Magazins „Newsweek“. In der Tat sind Wolken derzeit das Thema der Klimaforschung, wie gleich zwei einschlägige Veranstaltungen in der Vorwoche zeigen: Im Hamburger Max Planck Institut für Meteorologie trafen sich Atmosphärenforscher aus aller Welt zum „International Cloud Modeling Workshop“ (Internationale Arbeitswoche für Wolkenmodellierung). Und in Aspen, Colorado, diskutierten Atmosphärenforscher den Effekt von Aerosolen im hydrologischen Zyklus.

Dass Aerosole (Schwebeteilchen), Wolken und Wolkenbildung derzeit ein Topthema unter Klimaexperten sind, liegt an den Wissenslücken, welche die Forschung in diesem Bereich noch hat und voraussichtlich noch länger haben wird. Sie machen einen beträchtlichen Teil jener Unsicherheiten aus, mit denen die Klimarechenmodelle noch immer behaftet sind. Denn während in der Atmosphäre äußerst komplexe, vielfach mikroskopische Prozesse ablaufen, arbeiten die Klimarechenmodelle mit Rastern von 400 Kilometern, sodass sie das, was sich dazwischen abspielt, nur grob schätzen können.

Ungewöhnlich großer Spielraum. Als das UN-Expertengremium Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) im Jahr 2001 seinen bisher letzten Bericht zum Klimawandel veröffentlichte, hatten die Forscher den letzten Stand ihres Wissens zusammengetragen, sodass sie eine Abschätzung vornehmen konnten, wie sich das Erdklima bis zum Jahr 2100 entwickeln würde. Für die mögliche Temperaturentwicklung gaben die Wissenschafter einen ungewöhnlich großen Spielraum vor, nämlich eine mittlere Oberflächenerwärmung zwischen 1,4 und 5,8 Grad Celsius bis zum Jahr 2100.

Immerhin gab es eine Menge Dinge, welche die Experten noch nicht wussten, aber die Forscher waren dennoch überzeugt, dass sie ihre Wissenslücken bis zum nächsten, im Jahr 2007 fälligen IPCC-Bericht würden schließen können. Doch bei der Erforschung der in der Atmosphäre ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse stießen sie auf etwas Unerwartetes: Die Art, wie die Atmosphäre und speziell die Wolken auf die steigende Konzentration des großteils durch Verbrennung fossiler Energieträger erzeugten Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) reagieren, erwies sich als weit komplexer und schwieriger vorherzusagen als erwartet.

Wolken sind nicht einfach nur Wolken, die sich durch das Aufsteigen von feuchtwarmer Luft und deren Kondensation bilden und sich dann in Form von Niederschlägen entladen. In ihnen spielen sich Interaktionen kleinster Partikel mit Wassermolekülen und Spurengasen ab, die darüber bestimmen, ob sich die Wolken wieder auflösen, sich in einem Landregen oder in einem tosenden Gewitter entladen und welche großräumigen Effekte sie auf Wetter und Klima haben werden.

Im Zentrum der wissenschaftlichen Betrachtungen steht die Rolle der Aerosole bei Wolkenbildung und eventuellen Niederschlägen. „Ohne Aerosole bildet sich kein Wolkentröpfchen“, erklärt Ulrike Lohmann, Atmosphärenforscherin an der Dalhousie University im kanadischen Halifax und Teilnehmerin der Expertentagung in Aspen. Über den Landmassen sind es mikroskopisch kleine Staubpartikel, die, durch Wind aufgewirbelt und durch aufsteigende warme Luft, in höhere Luftschichten getragen werden. Dazu kommen Ton- und Rußpartikel, Sulfat- und Nitratmoleküle sowie Bakterien, die milliardenfach in der Luft vorhanden sind.

Über den Ozeanen bilden sich Aerosole durch aufgepeitschtes Wasser und durch Schaumkronen auf den Wellen, aus denen winzigste Wassertröpfchen herausgeschleudert werden, die dann mit der warmen Luft aufsteigen. In den trockeneren Luftschichten verdunsten die Wassermoleküle, sodass nur noch das Meersalz als Schwebeteilchen übrig bleibt. Zu diesen Meersalz-Aerosolen gesellen sich Partikel aus abgestorbenem pflanzlichem Plankton sowie Aerosole aus Dimethylsulfat (DMS). All diese Partikel bilden die Basis für die Entstehung von Wolken. Die nächste Frage, die sich Hans Puxbaum, Professor am Institut für chemische Technologien und Analysen an der Technischen Universität Wien, stellvertretend für die gesamte Zunft der Atmosphärenforscher stellt, lautet: „Warum regnet die eine Wolke und die andere nicht?“

Dass Wolken über dem Ozean eher dazu neigen, sich in Form von Regen zu entladen, lässt sich leicht erklären: Durch den beständigen Nachschub an Feuchtigkeit aus der Meeresoberfläche wachsen die Wolkentröpfchen, die sich um die Schwebepartikel gebildet haben, rasch und beginnen zu fallen, wodurch der Niederschlagsprozess in Gang kommt. Über der Landmasse hingegen bedarf es der Erfüllung einer ganzen Reihe von Bedingungen, damit sich eine Wolke in Regen oder Hagel entlädt.

Gefrierpunkt minus 15 Grad. Sobald Aerosole mit der feuchtwarmen Luft aufsteigen, lagern sich an ihrer Oberfläche Wassermoleküle ab und bilden auf diese Weise Wolkentröpfchen. Bei ihrem Aufstieg kühlen sich die Tröpfchen ab. Im Sommer liegt die Temperatur in Mitteleuropa in 3000 Meter Höhe bei minus fünf, in 4000 Meter bei minus 15 Grad. Die Tröpfchen steigen in diese Kältezonen, ohne sofort Eiskristalle zu bilden. Normalerweise gefriert Wasser bei null Grad, „aber bei Wolken ist das ganz und gar nicht der Fall“, erklärt Meinrat O. Andreae, Atmosphärenforscher am Mainzer Max Planck Institut für Chemie. „Das hat mit der Thermodynamik und Kinetik von Flüssigkeiten in kleinen Tröpfchen zu tun.“

So wie es zur Tröpfchenbildung eines Aerosolpartikels bedarf, so bedarf es zur Eisbildung eines Kristallisationskeimes. Wenn nun aber das ursprüngliche Schwebeteilchen gar nicht aus einem festen, sondern aus einem rein löslichen Stoff wie beispielsweise Ammoniumsulfat besteht, ist überhaupt kein Kristallisationskeim vorhanden – daher gefriert die Lösung auch nicht. Wenn aber ein Kristallisationskeim etwa in Form eines Staubpartikels vorhanden ist, an das sich Wassermoleküle anlagern, dann bildet sich dort im Temperaturbereich von minus zwölf bis minus 40 Grad ein sechszackiger Eiskristall. Fällt nun ein solcher Eiskristall auf ein Wassertröpfchen, dann gefriert auch dieses. Und das setzt sich nach unten fort, bis die Eiskristalle in einer unteren wärmeren Luftschicht schmelzen und als Regen zu Boden fallen.

Aber so simpel, wie sich das anhört, ist die Geschichte ganz und gar nicht, wie Georg Skoda, Professor am Institut für Meteorologie und Geophysik der Universität Wien, sagt: „Es spielen sich mikroskopische, aber auch großräumige Prozesse ab. Da ist alles drin, was Sie sich denken können, vom Verschmelzen kleinster Partikel über die Physik und Thermodynamik bis zur Chemie.“ Und dass diese Prozesse noch nicht wirklich verstanden werden, räumen die Wissenschafter in unterschiedlicher Gewichtung ein. Christoph Schär von der ETH Zürich etwa gesteht ein: „Es gibt Teilbereiche, wo man klar sagen kann, dass die Wolkenbildung eine der wichtigsten Unsicherheiten bei der Klimamodellierung darstellt.“ Und laut Georg Skoda würde „das meiste nicht wirklich verstanden“. Es gebe sicher noch Zusammenhänge, auf die man erst stoßen werde. „Die Auslage ist massiv in Arbeit.“ Aber dass die Fragen durch neue Erkenntnisse sofort weniger würden, glaubt jedenfalls Kevin Trenberth, Klimaforscher am National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, und einer der federführenden Autoren des nächsten IPCC-Berichts, laut „Newsweek“ nicht: „Wir dachten, wir würden die Unsicherheiten reduzieren. Aber je mehr wir uns da hineinvertiefen und je besser wir die Komplexität der Atmosphäre verstehen, desto größer werden die Unsicherheiten.“

Weniger Niederschlag. Schwer abzuschätzen ist insbesondere der Einfluss des Menschen auf die Wolkenbildung. Dass es diesen Einfluss gibt, ist evident, aber wie er sich in Summe auswirkt, kann derzeit kein Forscher sagen. Durch menschliche Aktivitäten wie Schwerindustrie, Beheizung und Verkehr werden große Mengen von Partikeln in die Luft geschleudert. Mehr Partikel in der Atmosphäre erzeugen mehr Wolken, aber nicht unbedingt mehr Niederschläge. Es gibt viele Weltgegenden, in denen die Bewölkung zu-, die Niederschläge aber abgenommen haben.

Je zahlreicher und kleiner die Partikel sind, desto zahlreicher und kleiner sind die durch diese Teilchen entstehenden Wolkentröpfchen. Und wenn sich die vorhandene Menge an Wasserdampf auf eine größere Anzahl von Partikeln verteilt, ist klar, dass auf das einzelne Teilchen weniger Wassermoleküle entfallen. Das bremst die Bildung größerer Tröpfchen und damit auch die Niederschlagsneigung. Das veränderte Teilchenspektrum verändert auch das Strahlungsverhalten dieser Wolken und verlängert deren Lebensdauer, weil sie sich nicht oder weniger durch Niederschlag entladen. Durch Satellitenaufnahmen ließ sich der Nachweis erbringen, dass sich über Schiffsrouten oder über Industriegebieten mehr und dauerhaftere Wolken bilden.

Rußpartikel wiederum können den gegenteiligen Effekt erzeugen, wie Veerabhadran Ramanathan, Atmosphärenforscher an der Universität von Kalifornien in San Diego, belegen konnte. Demnach heizt die Sonnenstrahlung die in der Atmosphäre schwebenden Rußpartikel derart auf, dass es zu einer Art „Verbrennung“ von Wolken kommt. Ramanathan und andere Forscher plädieren deshalb schon dafür, eher den Ausstoß von Rußpartikeln zu verringern als den von Kohlendioxid, weil das einen rascheren Effekt hätte.

Aber die durch menschliche Aktivitäten in der Atmosphäre angereicherten Partikel haben insgesamt zu einer Verringerung der Sonneneinstrahlung am Erdboden von etwa fünf Prozent geführt, wie Ulrike Lohmann gemeinsam mit Kollegen des Hamburger Max Planck Instituts für Meteorologie anhand von Computersimulationen errechnet hat. Inwieweit all diese Faktoren wie vermehrte Anreicherung von Partikeln und Wolken in der Atmosphäre am Ende den Effekt vermehrter Treibhausgase kompensieren können, wird man erst wissen, wenn der heurige Sommer längst vergessen ist.