Blütenstaub lässt Wolken gefrieren

11.07.2012 - Österreich

Pollen haben nicht nur empfindliche Auswirkungen auf die Nasen von Allergiker, sondern auch auf das Wetter und das Klima, fand ein Forschungsteam der TU Wien heraus.

Blütenpollen können für das Gefrieren von Wolken verantwortlich sein und damit einen wichtigen Einfluss auf das Klima ausüben. Bisher hatte man diesen Effekt für sehr gering gehalten, weil in großer Höhe kaum noch Pollen zu finden sind. Allerdings besitzen Pollen an ihrer Oberfläche viele verschiedene Makromoleküle. An der TU Wien konnte man nun zeigen, dass genau solche Moleküle beim Gefrieren von Wolken eine entscheidende Rolle spielen können.

Wasser bei eisigen Temperaturen

Eine Temperatur von weniger als 0 °C reicht nicht unbedingt aus, um Wasser gefrieren zu lassen. Ein Wassertröpfchen braucht außerdem einen sogenannten Nukleationskeim – eine mikroskopisch kleine Struktur, an der sich die Wassermoleküle orientieren können, um Eiskristalle zu bilden. Das Prinzip kann bei Schneekanonen genützt werden, bei denen dem versprühten Wasser Fragmente des Bakteriums Pseudomonas syringae als Nukleationskeime zugesetzt wird.

Wie gelangen Pollen in den Himmel?

Bei den Wassertropfen von Wolken in großer Höhe ist es genauso. „Organische Materialien spielen dabei eine große Rolle“, erklärt Professor Hinrich Grothe vom Institut für Materialchemie, „wir haben daher untersucht, wie sich Pilzsporen und Blütenpollen auf den Gefrierprozess auswirken.“ Pollen sind zwar nur einige Hundertstel eines Millimeters groß, trotzdem sind sie zu schwer um sich bis in große Höhen zu verteilen. In mehr als fünf Kilometer Höhe sind sie kaum noch zu finden. Man nahm daher lange Zeit an, dass sie für das Gefrieren der Wolken keine große Bedeutung haben, auch wenn sich manche von ihnen gut als Nukleationskeime eignen.

Makromoleküle starten den Gefrierprozess

Pollen haben eine komplizierte Oberflächentextur. Man könnte daher meinen, dass die Textur der Oberfläche etwas mit der Nukleation zu tun hat. „Wir haben nun aber gezeigt, dass das nicht stimmt“, berichtet Bernhard Pummer (Institut für Materialchemie, TU Wien). „Die Pollen haben an ihrer Oberfläche Makromoleküle, die sich leicht ablösen lassen. Verwendet man nur diese Makromoleküle und lässt den Pollenkörper weg, ist die Nukleationswirkung genauso groß, als würde man die vollständigen Pollen verwenden. Einige dieser Makromoleküle sind also für das Gefrieren der Wolkentröpfchen verantwortlich.“ Diese können mühelos bis in die obere Troposphäre in mehr als 10 km Höhe vordringen und dort Wolken zum Gefrieren bringen – der Pollenkörper wird dafür gar nicht benötigt. Für die Klimaforschung ist das ein wichtiger Punkt: Einerseits beeinflusst das Gefrieren von Wolken die Niederschlagsmenge, andererseits ändert sich dadurch auch die Reflektivität der Wolke – die sogenannte Albedo. Gefrorene Wolken reflektieren das Sonnenlicht besser ins All zurück, die Erde wird dadurch abgekühlt.

Künstliche Wolke im Ölbehälter

Der Doktorand Bernhard Pummer untersucht die Nukleationsprozesse im Labor: Statt Wassertropfen in der Luft untersuchte er Wassertröpfchen in Öl. Den Wassertröpfchen werden entweder Pollen oder deren Oberflächen-Makromoleküle zugesetzt, die Emulsion wird abgekühlt und die Gefriertemperatur gemessen. „Unterschiedliche Pollen lassen das Wasser bei unterschiedlicher Temperatur gefrieren – doch zwischen den Pollenkörpern und den körperlosen Oberflächenmolekülen gibt es keinen signifikanten Unterschied“, berichtet Pummer.

Dass bestimmte Pflanzen Pollen hervorbringen, die sehr effizient im Gefrierenlassen von Wassertropfen sind, findet Hinrich Grothe durchaus naheliegend: Die Eisschicht rund um die Pollen könnte eine Schutzfunktion ausüben und somit für die Pflanze nützlich sein. Die genaue chemische Struktur der vielen unterschiedlichen Moleküle ist bisher noch nicht genau geklärt. „Es dürften Polyzucker sein“, vermutet Grothe, doch hier gibt es noch viel zu forschen. Die Erkenntnisse der Wiener Materialchemie-Gruppe wurden in dem Fachjournal „Atmospheric Chemistry and Physics“ veröffentlicht und international mit großer Aufmerksamkeit aufgenommen. Gemeinsam mit Kollegen aus ganz Europa hat Hinrich Grothe nun einen Übersichtsartikel zur Eisnukelation für die Zeitschrift „Reviews of Modern Physics“ verfasst.

Die Forschungsarbeit wird im Rahmen des TU-Förderprogrammes „Innovative Projekte“ durchgeführt. Beteiligt sind neben dem Institut für Materialchemie auch das Institut für Chemische Technologien und Analytik und die Einrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie (USTEM).

Originalveröffentlichung

Ice structures, patterns, and processes: A view across the icefields; Rev. Mod. Phys. 84, 885–944 (2012)

B. G. Pummer et al.; Suspendable macromolecules are responsible for ice nucleation activity of birch and conifer pollen; Atmos. Chem. Phys., 12, 2541–2550, 2012

https://www.chemie.de/news/138787/bluetenstaub-laesst-wolken-gefrieren.html

Originalveröffentlichung

Ice structures, patterns, and processes: A view across the icefields; Rev. Mod. Phys. 84, 885–944 (2012)

B. G. Pummer et al.; Suspendable macromolecules are responsible for ice nucleation activity of birch and conifer pollen; Atmos. Chem. Phys., 12, 2541–2550, 2012

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