Schöne eisige Bedingungen

Schöne eisige Bedingungen

Das INUIT-Teilprojekt der TU Darmstadt und der Goethe-Universität Frankfurt

Forscher der TU Darmstadt und der Goethe-Universität Frankfurt analysieren jahreszeitliche und geographische Unterschiede von Eiskeimen – ein Beitrag zum besseren Verständnis von Veränderungen des Erdklimas.

Professor Dr. Martin Ebert und PD Dr. Konrad Kandler bei der Voranalyse der Eiskeimproben. Bild: Chris Hartung
Professor Dr. Martin Ebert und PD Dr. Konrad Kandler bei der Voranalyse der Eiskeimproben. Bild: Chris Hartung

Das Panorama ist bombastisch. Wie eine Arche, gestrandet in einem Meer aus Eis und Schnee, liegt die Forschungsstation auf der felsigen Spitze des Jungfraujoch. Das Dach Europas in der Schweiz, fast 3.500 Meter hoch, 100 bis 200 Tage im Jahr von kalten Wolken umhüllt. Für Meteorologen, Wetter-, Wolken- und Klimaforscher das Paradies, „ein reizvoller Standort mit einmaligen Bedingungen“, schwärmt Professor Martin Ebert vom Institut für Angewandte Geowissenschaften an der Technischen Universität Darmstadt.

Wissenschaftler aus der ganzen Welt treffen sich auf dem Gipfel, auch Martin Ebert war schon mehrfach dort. Meist, um Proben zu nehmen. Mit einem Stahlrohr, einer Art Staubsauger, holt er dann die Partikel aus der Luft ins Labor, die er für seine Arbeit daheim in Darmstadt braucht.

Der 45-Jährige ist eigentlich promovierter Chemiker, hat an der TU studiert und kam über die Materialwissenschaften im Jahr 2000 an das Institut für Geowissenschaften in der Darmstädter Schnittspahnstraße. Eine Erfahrung in Interdisziplinarität, die ihm heute für das INUIT-Projekt sehr nützlich ist. Ebert arbeitet zusammen mit seinem Kollegen, dem TU-Professor Stephan Weinbruch, und dem Meteorologen Dr. Heinz Bingemer von der Goethe-Universität Frankfurt an einem der neun Teilprojekte der Eiskeim-Forschungsgruppe.

Viel Feldarbeit

Professor Dr. Martin Ebert im Labor. Bild: Chris Hartung
Professor Dr. Martin Ebert im Labor. Bild: Chris Hartung

Die Darmstädter und Frankfurter Forscher wollen die jahreszeitlichen und geographischen Unterschiede bei der Konzentration, Zusammensetzung und den Quellen von Eiskeimen bestimmen. Das bedeutet viel Feldarbeit beispielsweise auf besagtem Jungfraujoch in der Schweiz, aber auch auf dem Kleinen Feldberg im Rhein-Main-Gebiet, in luftigen Höhen oder ganz nah am Boden.

Dafür nehmen sie jeweils Proben von einigen hundert Litern Luft und analysieren im Labor, wie viele der darin enthaltenen winzigen Staubpartikel – Aerosole – später auf dem Objektträger die Eiskristalle gebildet haben, die als Niederschlag die Wolke verlassen.

Die Frankfurter Kollegen haben einen Eiskeimzähler mit Namen FRIDGE entwickelt, der die Aerosolpartikel einsammelt. Mit Spezialkamera und Elektronen-Mikroskopie können an der TU die chemische Zusammensetzung, die toxische oder auch die Strahleneigenschaften der Partikel bestimmt werden. Welche Partikel lösen die Eisbildung aus?

„Bis auf wenige Mikrometer genau können wir die Stelle in der Frankfurter Probe anpeilen, wo Eiskristalle entstanden sind“, sagt Ebert. Bodenstaub- Partikel (Silikate), haben große Bedeutung, „das haben wir bereits herausgefunden“, verrät der TU-Professor. Vor allem sind es bestimmte Tonminerale und Feldspäte. „Wir kommen Schritt für Schritt näher“, so Ebert. Obwohl die Ergebnisse von Feldversuchen oftmals stark divergieren können. „Scharfe, präzise Ergebnisse sind schwer zu bekommen“, sagt der Geowissenschaftler.

Proben aus dem Eismeer

Weitere Proben kommen demnächst ins Labor. Immer dann, wenn beispielsweise das Forschungsschiff „Polarstern“ ins Eismeer aufbricht und die Wissenschaftler über den Wellen Aerosole einfangen. Die Goethe-Universität unterhält aber auch eine Kooperation mit einem schwedischen Institut, das am Mount Kenia in Ostafrika in 3.500 Metern Höhe Messungen vornimmt. „Die bringen uns ein bisschen Luft mit“, erzählt Heinz Bingemer. Mit vielleicht ganz anderen Aerosolen darin, als am Jungfraujoch oder dem Kleinen Feldberg.

Astrid Ludwig

 

Internationale Forschergruppe INUIT

Wolken bestimmen maßgeblich den Wasserhaushalt der Erde sowie das Wetter und auch die Klimaforschung. Nicht jede Wolke bringt Regen oder Schnee. Eiskeime spielen bei der Entstehung von Niederschlag die entscheidende Rolle. Diese speziellen Aerosole, winzige Staubpartikel in der Luft, ermöglichen erst die Tropfen- und Eisbildung in Wolken. Nur Eispartikel können so groß anwachsen, dass sie schwer genug sind, um aus der Wolke als Regen, Graupel, Hagel oder Schnee herauszufallen.

Die internationale Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Reseach Unit) untersucht Aerosole und den komplexen Vorgang der Eisbildung in der Atmosphäre. Gefördert wird das Projekt nunmehr zum zweiten Mal für drei Jahre mit rund drei Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG). An den neun Teilprojekten sind rund 50 deutsche und ein israelischer Forscher in Labor- und Feldversuchen beteiligt, darunter Meteorologen, Physiker, Biologen, Chemiker oder auch Geowissenschaftler.

Partner sind die die Goethe-Universität Frankfurt, die TU Darmstadt, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, das Max-Planck-Institut für Chemie Mainz, das Institut für Troposphären-Forschung Leipzig, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Bielefeld und das Weizmann-Institut für Wissenschaften nahe Tel Aviv in Israel.

 

Drei Fragen an…

Im Gespräch mit Dr. Heinz Bingemer

Dr. Heinz Bingemer. Bild: privat
Dr. Heinz Bingemer. Bild: privat

Dr. Heinz Bingemer, 63 Jahre, Meteorologe und seit 1990 am Institut für Atmosphäre und Umwelt an der Frankfurter Goethe-Universität beschäftigt. Seit 2004 forscht er zu Eiskeimen und Eisbildung in Wolken und ist als Wissenschaftler am INUIT-Projekt beteiligt.

INUIT ist den Eiskeimen in Wolken auf der Spur. Ist das Verständnis der Wolkenphysik und der Aerosole der Schlüssel zur Klimaforschung?

Die Kausalität, der Zusammenhang von Wolken und Niederschlag, ist der wissenschaftliche Rahmen des Projektes. Für die Bildung von Eiskeimen, Wassertröpfchen ,das Erscheinungsbild oder die Strahlungseigenschaften von Wolken in der Atmosphäre, muss man die Mikrophysik in Wolken und die Wechselwirkungen kennen und verstehen.

Die Anwendung dieses Wissens ist wichtig für die Wettervorhersage. Auch in der Klimaforschung sowie für Klimamodelle spielen Wolken eine ganz entscheidende Rolle.

Ohne Staubpartikel – Aerosole – in der Luft gibt es in unseren Breiten keine Wolkenbildung und keinen Niederschlag. Für die Kondensation von Wassertropfen braucht man diese Staubpartikel. Es handelt sich um Schwebstaub in der Luft, der durch Pflanzenabrieb entstehen kann, Bakterien, Luftverunreinigung, Wüstenstaub, Vulkanausbrüche oder Verbrennungsprodukte. Eine spezielle Art der Aerosole sind die Eiskeime, die in einer Wolke, wenn sie kalt genug ist, die Gefrierphase auslösen können und damit den Niederschlag. Die detaillierte Kenntnis und das Wissen um diese Eiskeime soll helfen, Wolken zu modellieren und Niederschläge simulieren zu können.

Diese Eiskeime sind noch wenig erforscht?

Ja, aber es ist ein weltweites Forschungsgebiet. Auch die EU und die Amerikaner fördern entsprechende Projekte. Bisher wissen wir noch nicht genau, wann welche Staubpartikel Eiskristalle bilden. Wir versuchen das beispielsweise zu ergründen, indem wir Staubproben aus der Luft nehmen, diese im Labor in eine kalte Wolke setzen und schauen, wie viele Eiskristalle wachsen konnten. Im Labor kann man gezielt diese Bedingungen schaffen und Aerosole zu Eiskristallen „entwickeln“.

In der Natur ist das natürlich anders, da gibt es viele Unbekannte, daher ist für uns die Feldforschung ebenfalls sehr wichtig. Da misst man die Realität. Bedeutsam ist unter anderem die Frage, in wie weit Eiskeime auch menschengemacht sind, also menschliches Handeln sich auf die Bildung von Wolken und Eiskeimen auswirkt. Beispielsweise gelangt durch die fortschreitende Wüstenbildung mehr Staub in die Atmosphäre.

Es gibt weltweit auch immer wieder Versuche, mit dem Beschuss von Silberjodid-Partikeln in die Atmosphäre den Niederschlag zu beeinflussen. Doch ob diese Wettermacher-Aktionen wirklich funktionieren, ist bisher nicht bewiesen.

Die Komplexität des Forschungsthemas spiegelt sich auch in den zahlreichen Teilprojekten wider, in die INUIT unterteilt ist?

Ja, wir haben neun Teilprojekte mit unterschiedlichen Schwerpunkten. Die Forschung geschieht in drei Phasen – anhand von Laborversuchen, Feldforschung und zum Schluss Computermodellierung. Die Arbeiten sind stark miteinander verzahnt. Das Karlsruher Institut hat eine große Aerosolkammer, um künstliche Wolken zu erzeugen, das Troposphären Institut Leipzig einen Strömungs- oder Wolkenkanal.

Dort laufen beispielsweise die Laborexperimente aller INUIT-Teilgruppen. Die Forscher in Frankfurt haben einen Eiskeimzähler entwickelt, die beteiligten Wissenschaftler der TU Darmstadt und der Goethe-Uni nehmen sich der Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der individuellen Eisnuklei an, die Mainzer untersuchen die biologischen Partikel, in Karlsruhe und Mainz laufen zwei Modellierungsprojekte, in die auch Daten aus Darmstadt einfließen.

Das Fachwissen soll sich im Idealfall ergänzen und zu einem Ergebnis zusammenwachsen. Das macht das INUIT-Projekt stark.

Das Interview führte Astrid Ludwig

 

Im Gespräch mit dem Mainzer Physiker Dr. Miklós Szakáll

Dr. Miklós Szakáll. Bild: JGU Mainz
Dr. Miklós Szakáll. Bild: JGU Mainz

Miklós Szakáll (40) arbeitet seit 2006 am Institut für Physik der Atmosphäre (IPA) an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Der gebürtige Ungar hat an der Universität Szeged Physik studiert und promoviert. Seit 2014 ist er der Leiter des Windkanallabors der Universität Mainz und seit April 2015 Wissenschaftler im Team des INUIT-Projektes.

Herr Szakáll, welchen wissenschaftlichen Aspekt beim INUIT-Projekt nehmen Sie und die Mainzer Forscher unter die Lupe?

In Mainz sind mehrere Institute und Wissenschaftler beteiligt, darunter das Max-Planck-Institut für Chemie und das Institut für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität.

Die Kollegen am Max-Planck-Institut nehmen unter anderem Feldstudien vor, während ich dagegen im Labor arbeite und mit Experimenten zum Immersions- und Kontaktgefrieren von Aerosolen befasst bin. Wir haben an der Universität Mainz einen vertikalen Windkanal, dessen Leiter ich bin. Dort und in einer akustischen Tropfenfalle finden die Experimente statt.

Was genau muss man sich unter einer akustischen Tropfenfalle vorstellen?

Eine akustische Falle für große Regen- oder Wassertropfen besteht aus einer Ultraschallquelle, in diesem Fall einem Lautsprecher und einem Reflektor. Zwischen diesen beiden Komponenten entstehen akustische Wellen, an dessen Knotenpunkten die Tropfen hängen bleiben. In unserem Windkanal können wir Wassertropfen wie in der freien Atmosphäre simulieren.

In der Natur wird der aus der Wolke fallende Tropfen durch die Erdbeschleunigung beschleunigt und durch den Luftwiderstand gebremst. Im Windkanal haben wir keine fallenden Tropfen, sondern sie schweben in der Luftströmung, was physikalisch aber das Gleiche ist. Wir kühlen den Kanal auf minus 25 Grad herunter und schauen, was passiert.

Unter diesen Laborbedingungen untersuchen Sie dann, welche Aerosole wann gefrieren und somit Niederschlag in einer Wolke auslösen können?

Genau. Wir lösen Staubpartikel in die Wassertropfen ein und beobachten, ob und wie effektiv diese Testaerosole beim Gefrierprozess arbeiten. Biologische Partikel, beispielsweise Bakterien, lösen das Gefrieren des Tropfens schon bei minus sechs bis minus acht Grad aus, Staubpartikel bei minus 15 bis minus 20 Grad, reines Wasser sogar erst bei minus 37 Grad. Ein Glas Wasser bildet dagegen schon bei null Grad Eis, aber das liegt an den „Verunreinigungen“ darin.

Mit einem speziellen Thermometer messen wir die Temperatur der Tropfen. Für eine Messkurve benötigen wir bis zu über hundert Tropfen. Wir spielen dabei mit der Konzentration der Aerosole und der Tropfengröße, um zu verstehen, wie die unterschiedlichen Partikel funktionieren. Das sind kontrollierte Bedingungen im Labor, die zusammen mit den Feldexperimenten in der realen Atmosphäre uns helfen, viel über die Wolkenbildung zu erfahren.

Das ist das Tolle an INUIT: Jede Forschergruppe misst die Eigenschaften der Aerosole, aber mit ihren ganz unterschiedlichen Methoden. Mehrmals im Jahr treffen wir uns und vergleichen dann unsere Messungen und Ergebnisse.

Das Interview führte Astrid Ludwig

 

Im Gespräch mit Professor Joachim Curtius

Prof. Dr. Joachim Curtius. Bild: Uwe Dettmar, Goethe-Universität Frankfurt
Prof. Dr. Joachim Curtius. Bild: Uwe Dettmar, Goethe-Universität Frankfurt

Joachim Curtius (46), Sprecher des INUIT-Projekts (Ice Nuclei Research Unit), seit 2007 Professor für Experimentelle Atmosphärenforschung am Institut für Atmosphäre und Umwelt an der Goethe-Universität Frankfurt.

„Die Bildung von Eis an der Oberfläche von sogenannten Eiskeimen spielt sich täglich in den Wolken über uns am Himmel ab. Aber es ist ein äußerst komplexes wissenschaftliches Thema, denn es gibt sehr unterschiedliche Eiskeime, zum Beispiel bestimmte biologische Proteine, Mineralstaubpartikel aus Feldspat oder besonders poröse Substanzen.

Chemiker, Physiker, Mineralogen, Biologen und Atmosphärenforscher müssen daher sehr eng zusammen arbeiten, um die Prozesse zu verstehen, die bei der Kristallbildung ablaufen und die verschiedenen Typen von Eiskeimen zu charakterisieren.„

„In der Forschergruppe INUIT wird die Expertise zum Thema „Eiskeime“ sehr effizient gebündelt. Durch das Projekt ergibt sich ein schneller Wissensaustausch und eine hervorragende Zusammenarbeit der Gruppen von den verschiedenen Universitäten und Forschungsinstituten. So können sehr komplexe Messungen realisiert werden, bei denen mehrere Gruppen mit ihren Spezialgeräten gemeinsame Messungen durchführen. Eine derartige Fokussierung der Aktivitäten zum Thema Eiskeime in der Atmosphäre ist weltweit einmalig.“

„In der Forschergruppe INUIT werden Prozessuntersuchungen im Labor, Beobachtungen in der Atmosphäre unter realen Bedingungen sowie Modellrechnungen vorgenommen. Diese verschiedenen Bereiche kooperieren eng miteinander und ergänzen sich optimal. So werden viele Synergien gehoben.“