Wolken & Partikel

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Eigenschaften von Partikeln

In Abhängigkeit von ihrer Quelle und ihrer Entwicklung in der Atmosphäre haben Partikel verschiedene Größen und Konzentrationen (physikalische Eigenschaften), aber es gibt noch eine weitere Unterscheidung zwischen Partikeln: ihre chemische Zusammensetzung. Physikalische und chemische Eigenschaften haben übrigens einen starken Einfluss auf das Verhalten in der Atmosphäre. Ein Grund für die Wichtigkeit der Aerosole ist, dass sie essentiell für die Wolkenbildung sind.

Chemische Zusammensetzung von Aerosol

Die chemische Zusammensetzung von Partikeln hängt in hohem Maße von ihren Quellen ab. Wichtige Komponenten sind Seesalz, Sulfat, Nitrat, Ammonium, organisches Material, Mineralien der Erdkruste, Spurenmetalle und Wasser.
 
Im groben Bereich (Durchmesser von mehr als 1 µm) findet man für gewöhnlich Substanzen aus der Erdkruste (Silicium, Magnesium, Calcium, Aluminium, ...), Kochsalz aus der Gischt der Meere, primäre biologische Partikel wie Pollen, Sporen, Zersetzungsprodukte von Insekten oder auch Flugasche.

Die feinen Partikel setzen sich vor allem aus sekundären Aerosolen zusammen, die durch Übergänge von Molekülen aus der Gasphase in die Partikelphase entstehen. Hierzu zählen Sulfat, Nitrat, organische Verbindungen, Metalle (wie Blei, Eisen, Kupfer, Nickel, ...) und elementarer Kohlenstoff.

Chemische Mischung

Da die Atmosphäre stetig in Bewegung ist und sich ändert, ändert sich auch die chemische Zusammensetzung eines Partikels während seiner Aufenthaltszeit von bis zu einigen Tagen in der Atmosphäre. Zwei Mischungszustände werden unterschieden: interne und externe Mischung.
 

In einer externen Mischung bleiben Partikel aus verschiedenen Quellen getrennt, d.h. sie haften nicht aneinander.

Bei einer internen Mischung vermischen sich verschiedene chemische Substanzen in einem Partikel. Je älter die Luftmasse ist, umso mehr wird der Grad der internen Mischung zunehmen.

1. TEM Bild von Mineralstaub, der in der marinen Troposphäre gesammelt wurde. Copyright © 1999, The National Academy of Sciences
 

Wolkenkondensationskeime

Eine der wichtigsten Rollen von Aerosol in der Atmosphäre ist, dass es die Bildung von Wolken ermöglicht. In der Tat benötigt Wasserdampf diese feinen Partikel, um darauf kondensieren zu können. Allerdings können nicht alle Aerosolpartikel auch als Keime für die Bildung von Wassertropfen dienen. Partikel, die diese Fähigkeit besitzen, werden als Wolkenkondensationskeime (engl.: cloud condensation nuclei = CCN) bezeichnet. Ob Partikel CCN sein können,  hängt von ihrer Größe, ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Übersättigung ab (siehe Bildungsprozesse).

Denjenigen Partikeln, die als CCN dienen, kommt über den Ozeanen für gewöhnlich eine höhere Bedeutung zu, als in einer verschmutzten Umwelt. Denn die Gesamtkonzentration an Partikeln in einer verschmutzten Umgebung ist generell viel höher. So findet man in maritimer Luft um die 100 Partikel pro cm³ an CCN, während man in verschmutzter Luft leicht einige hundert pro cm³ findet.

Um als CCN dienen zu können, müssen Partikel hinreichend hygroskopisch sein, das heißt, sie müssen eine hinreichende Menge an wasserlöslichem Material beinhalten. Dies ist der Grund, warum die chemische Zusammensetzung der Aerosole auch die Bildung von Wolkentropfen kontrollieren kann. So können Staubpartikel, die vom Boden aufgewirbelt werden, nicht direkt als CCN dienen, während Seesalzpartikel so wasseranziehend sind, dass dies für sie unmittelbar möglich ist. An feuchten Tagen haben wir manchmal Probleme, etwas aus dem Salzstreuer zu bekommen, da das Salz durch die Luftfeuchte zusammenklebt.

2. Spuren von Schiffen (engl.: ship tracks): Partikel aus den Abgasen von Schiffen dienen als Wolkenkondensationskeime (CCN) und bilden die Wolken, die in der Abbildung zu sehen sind. Wir sehen Frankreich rechts und Spanien unten im Bild. Dort, wo Schiffe über den östlichen Atlantik fahren, hinterlassen sie eine sichtbare Spur, wo sie jüngst gewesen sind. Ship tracks können sich über Stunden halten. Sie lassen aus ihrer Gestalt auch auf ihr Alter und auf die Geschwindigkeit des Schiffes schließen. Umso schneller das Schiff, desto schmaler und länger wird die Wolkenspur sein. Langsamere Schiffe hinterlassen kürzere und breitere Spuren.
Quelle: NASA
 

Der Aerosol-Einfluss auf Wolken

Aerosolpartikel erlauben also die Wolkenbildung. Folglich sollte eine Veränderung in der Größe und Anzahl der Partikel auch die Eigenschaften der Wolken ändern. In der Tat sind Aerosole wichtige Faktoren im Wolkensystem, die die Mikrophysik der Wolken (Anzahl und Größe der Tropfen), die Niederschlagswahrscheinlichkeit und optische Eigenschaften der Wolken mit bestimmen.

Eine der fundamentalsten Beobachtung ist die, dass eine Erhöhung der Anzahl der Partikel, aus denen sich Wolkentropfen bilden können,  dazu führt, dass die Wolke mehr und kleinere Tröpfchen haben wird. Anzahl und Größe der Tropfen wiederum bestimmen, ob die Wolke Regen hervorbringt und welche optischen Eigenschaften sie hat. Diese Art Einfluss des Aerosols bezeichnen wir als "indirekten (Aerosol-)Effekt".

Da menschliche Aktivitäten eine wichtige Quelle von Partikeln sind, verändern wir Menschen auch die Anzahl und Eigenschaften von Wolken.

Schauen Sie sich das Photo rechts an. Es zeigt Kondensstreifen (engl.: condensation trails), die auch 'contrails' genannt werden, über dem Rhonetal in Frankreich. Wir können solche künstlichen Wolken, die sich hinter den Triebwerken von Flugzeugen bilden, oft beobachten. Sie bestehen aus Eiskristallen, die entstehen, wenn die Temperatur in der Flughöhe niedriger als -40°C liegt. Wir nehmen an, dass solche künstlichen Wolken schon 0,1% der Erdoberfläche bedecken und dass ihr Anteil weiter zunimmt.

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Author: J. Gourdeau, LAMP Clermont-Ferrand, France
Scientific reviewing: Dr. Paolo Laj, LaMP, France.
Date of generation: 2003-10-15; Last published: 2004-04-21.
Translation: Elmar Uherek - 2004-09-25