Wolkenforschung in extremen Höhen
Wissenschaftlern gelingt weltweit erste Probenahme in polaren Stratosphärenwolken zum besseren Verständnis des Ozonabbaus
Polare Stratosphärenwolken sind entscheidend an der Entstehung des Ozonlochs beteiligt. Um ihre Entstehung zu erforschen, muss man Messungen in extremen Höhen machen. Genau das ist Forschern aus Mainz und Darmstadt im letzten Dezember über Nordschweden gelungen. In 20 Kilometer nahmen sie erstmals Aerosolproben aus dem Inneren dieser Wolken. Im Labor wird jetzt geklärt, in welchem Ausmaß das Aerosol, das auch von menschlichen Aktivitäten stammt, zur Bildung der polaren Stratosphärenwolken beiträgt.
Das Forschungsflugzeug M55 Geophysika auf dem Flugplatz von Kiruna in Nordschweden. Mit dem ehemaligen russischen Höhenaufklärer gelangen im Dezember 2011 die ersten Probenahmen aus polaren Stratosphärenwolken.
Ralf Weigel, 2011
Eigentlich wollten die Wissenschaftler aus Mainz und Darmstadt nur neue Instrumente an Bord eines Forschungsflugzeugs testen. Außergewöhnliche meteorologische Bedingungen im Dezember 2011 erlaubten jedoch zwei Messflüge in das Innere von polaren Stratosphärenwolken. So gelang über Nordschweden in einer Höhe von 18 bis 20 Kilometer die weltweit erste Probenahme von Aerosolteilchen, die die Wolkenbildung ermöglichen.
Wolken entstehen normalerweise in der erdnahen Troposphäre. In der Stratosphäre kommen sie nur im Winter und nur in den Polregionen vor. Bei Temperaturen von minus 78°C und kälter treten die Stratosphärenwolken mit ihren eindrucksvollen irisierenden Farben in Höhen von 15 bis 30 Kilometer auf.
„Normalerweise bilden sich diese speziellen Wolken erst viel später“, erklärt Stephan Borrmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie und Professor am Institut für Physik der Atmosphäre an der Mainzer Universität. „Die notwendige großräumige Kreisströmung war allerdings schon Mitte Dezember so stark, dass die tiefen Temperaturen frühzeitig erreicht wurden.“
So konnten die Wissenschaftler mit Hilfe von neu entwickelten thermodynamischen und optischen Messinstrumenten an Bord des Forschungsflugzeugs „M55 Geophysika“ die Größe einzelner Wolkenteilchen messen und die Eigenschaften von Aerosolteilchen in der Stratosphäre bestimmen. Die eingesammelten Partikel werden jetzt im Labor untersucht. Ziel ist es, herauszufinden, in welchem Ausmaß Aerosolpartikel zur Entstehung der polaren Stratosphärenwolken beitragen können. Hierbei handelt es sich um Aerosol, das immer in der Stratosphäre vorhanden ist und zum Beispiel aus Vulkanausbrüchen stammt, um Partikel anthropogenen Ursprungs wie Ruß und um Meteoritenstaub.
Polare Stratosphärenwolken bestehen aus dem wolkenbildenden Aerosol und Kristallen, die vorwiegend Wasser und Salpetersäure und Spuren von Schwefel- und Salzsäure enthalten. Sie spielen eine entscheidende Rolle beim Abbau des polaren Ozons, denn chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Inneren der Kristalle wandeln inaktive, ursprünglich anthropogene chlorhaltige Substanzen in aktives, Ozon zerstörendes Chlor um. Erst im Frühjahr, wenn in die chemisch derart modifizierte Stratosphäre wieder genügend Licht dringt, findet der rapide Ozonabbau durch das angereicherte und aktivierte Chlor statt.
Um einschätzen zu können, wie sich der Ozonabbau in der Zukunft entwickelt, verwendet man numerische Vorhersagemodelle, deren Qualität stark von detaillierten Kenntnissen der physikalischen und chemischen Prozesse abhängt. Um beispielsweise die Bildung von Wolken im Computer richtig simulieren zu können, müssen offene Fragen mit Hilfe von Experimenten im Inneren der polaren Stratosphärenwolken geklärt werden. Messträger mit den geeigneten Instrumenten in so große Höhen zu bringen, stellt eine immense technologische Herausforderung sowohl an das Flugzeug als auch an die wissenschaftlichen Instrumente dar.
Das Messflugzeug Geophysica ist ein ehemaliger russischer Höhenaufklärer und startete jeweils von Kiruna in Nordschweden. Die Untersuchungen fanden im Rahmen der sogenannten ESSENCE Messkampagne des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des Karlsruher Institute of Technology (KIT) statt.
„Wenn die derzeitigen meteorologischen Bedingungen in der Stratosphäre bis zum März stabil bleiben, wird sich im Frühjahr 2012 vermutlich ein erhebliches Ozonloch über der Nordhemisphäre bilden“, erläutert der Atmosphärenforscher Borrmann. „Das können wir auf Grund der beobachteten Wolken und der Spurengasmessungen sagen.“ Mittlerweile tritt das Ozonloch, das man aus der Antarktis kennt, auch in der Nordhemisphäre regelmäßig auf. Sobald sich die stratosphärischen Wetterbedingungen wieder auf die sommerlichen Verhältnisse umstellen, wird das abgebaute Ozon durch neu herbeiströmendes ersetzt.
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