Benz, S.

Möhler, O.

Schnaiter, M.

Schön, R.

KITopen

68(68)Zirruswolken (von lateinisch cirrus = Haarlocke) bestehen aus-schließlich aus feinen etwa 0,01bis 1 mm großen Eiskristallen. Siekommen nur in sehr großen Höhenvor, weil erst deutlich über 6 km sotiefe Temperaturen erreicht wer-den, dass unterkühlte Wolken-tröpfchen nicht mehr existierenkönnen. Ihren Namen tragen Zirrenwegen ihres federartigen Ausse-hens, das auf die langsame Sink-geschwindigkeit der winzigen Eis-kristalle und Windscherungenzurückgeführt wird. Die hexago-nalen Eiskristalle können durchBrechung des Sonnenlichtes ein-drucksvolle optische Phänomeneverursachen: stern- und bogen-förmige Leuchterscheinungen, diein bestimmten Richtungen undfesten Winkeln von der Sonne auf-treten und als Halos bezeichnetwerden.Hohe Zirren sind klimawirksam,weil sie sichtbares Sonnenlichtzurückstreuen, während sie dieWärmestrahlung der Erde absor-bieren (Abb. 1). Es gibt Hinweise,dass menschliche Aktivitäten, ins-besondere Emissionen des Luft-verkehrs die Häufigkeit der Zirren-bildung und ihre Strahlungseigen-schaften verändern. Die Folgen fürdas Erdklima sind allerdings nochsehr unzureichend erforscht [1].Für die Zirrenbildung sind Aero-solpartikel von entscheidender Be-deutung, denn zur Entstehung vonEiskristallen in wolkenfreier Luftmüssen zwei Bedingungen erfülltsein: Das Eis-Sättigungsverhältnis SEis(= Quotient aus herrschendemWasserdampf-Partialdruck unddem Gleichgewichts-Dampfdrucküber Eis bei der gegebenen Tem-peratur) muss den Wert eins über-steigenEs müssen Lösungströpfchen oderfeste Partikel vorhanden sein, aufdenen sich der Wasserdampf alsEis abscheiden kann oder in denenEiskeime spontan entstehen. Übersättigte Bedingungen mit SEis > 1 entstehen, wenn feuchteLuft konvektiv oder durch Aufglei-ten expandiert und sich dabei adia-batisch abkühlt. Flugzeugmes-sungen haben gezeigt, dass zurZirrenbildung vorwiegend winzigeSchwefelsäuretröpfchen, Wüsten-staub und Rußpartikel mit Größenunter 0,001 mm beitragen. Schwe-felhaltige Gase stammen zum Teilaus natürlichen Quellen wie Vul-kanen, werden aber auch von Flug-zeugen emittiert, die mit schwe-felhaltigem Kerosin fliegen. Dabeientstehen zugleich Rußpartikel,EinleitungKristallklar und federleicht: Eiswolken im LaborM. Schnaiter, S. Benz, O. Möhler, R. Schön, IMKNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 38  1-2/2006  S. 68–70 Abb. 1: Zirruswolken entstehen in der kalten oberen Troposphäre. Natürliche und vom Menschen gemachte Aerosole spielen dabei eine Schlüsselrolle und haben somit Einfluss auf die klimarelevantenStrahlungseigenschaften der Zirren.H [km]108126420StratosphäreTroposphäreTemperaturverlauf–60 0 T [°C]–40 –20 +20WüstenstaubRußSchwefelsäure69(69)fahren zum Einsatz, die am Institutspeziell für diesen Zweck ent-wickelt wurden. Zum Nachweisder Eisbildung wird ausgenutzt,dass polarisiertes Laserlicht beider Streuung an Eiskristallen se-lektiv depolarisiert wird, währendvon runden bzw. viel kleineren Ae-rosolpartikeln gestreutes Lichtseine Polarisation beibehält. Formund Wachstum der erst wenigeµm großen Eiskristalle werden miteinem für diesen Zweck ent-wickelten ultraschnellen Mikro-skop (8 ns Belichtungszeit) unter-sucht. Es bildet die luftgetragenenKristalle auf einem CCD-Chip ab(Abb. 2), mit dem während eineseinzigen Experiments tausendevon Bildern geschossen werdenkönnen. In einer zweiten Entwick-lungsstufe wird das Gerät gleich-zeitig die klimarelevanten Streu-eigenschaften der Eiskristalle win-kelaufgelöst messen.In einer Serie von AIDA-Mess-kampagnen wurden die zur Eis-bildung erforderlichen kritischenTemperaturen und Sättigungsver-hältnisse SEis für eine Reihe vonatmosphärisch relevanten Aero-solen untersucht. Die gewonne-nen Erkenntnisse für Schwefel-säuretröpfchen, Mischpartikel ausRuß und Schwefelsäure (als Modellfür Aerosole aus dem Flugverkehr),sowie für Wüstenstaub sind inExperimente mit künstlichenEiswolkenAbb. 2: Einige Bilder von Eiskristallen, die bei der Simulation von Zirruswolkenin AIDA mit dem ultraschnellen Mikroskop aufgenommen wurden. Oben ist dietypische federartige Struktur von Zirren zu erkennen, der sie ihren Namen ver-danken.die jedoch auch aus bodennahenQuellen stammen können, falls siewie Wüstenstaub in große Höhengetragen werden. Der Menschkann also die Zirrenbildung aufvielfältige Weise direkt oder indirektbeeinflussen. Ziel der hier vorge-stellten Arbeiten ist ein besseresVerständnis dieser Einflüsse undderen Auswirkungen auf den Strah-lungshaushalt der Atmosphäre unddamit das Klima. Mit der Wolkenkammer AIDA (Ae-rosol-Interaktionen und Dynamik inder Atmosphäre) des Instituts fürMeteorologie und Klimaforschungverfügt das ForschungszentrumKarlsruhe über eine weltweit ein-malige Versuchsanlage zur Unter-suchung der Bildungsprozesseund optischen Eigenschaften vonZirren [2]. In der bis auf –90 °Ckühlbaren Kammer, die aus einemzylindrischen Aluminiumgefäß mit84 m3 Rauminhalt besteht, lassensich die bei der Entstehung natür-licher Zirren herrschenden Tem-peratur- und Druckverhältnisserealitätsnah nachbilden. Eis-Sätti-gungsverhältnisse bis zu 2 wer-den dynamisch erzeugt, indem derDruck in der vorgekühlten Kammer,ähnlich wie in einem rasch auf-steigenden Luftpaket in der freienAtmosphäre, durch starkes Pum-pen kontinuierlich abgesenkt wird,wodurch sich das Kammervolu-men adiabatisch abkühlt.Zum Studium der Zirrenbildungsind höchstempfindliche Nach-weismethoden für die Entstehungund das Wachstum winziger Eis-kristalle unerlässlich. An AIDA kom-men verschiedene optische Ver-Die WolkenkammerAIDA50 µm70(70)Abb. 3 schematisch zusammen-gefasst: So genannte homogene Eisbildungin Schwefelsäuretröpfchen erfor-dert im gesamten Temperaturbe-reich, in dem Zirren beobachtetwerden, hohe Sättigungsverhält-nisse SEis zwischen 1,5 und 1,7.In Mischpartikeln aus Ruß undSchwefelsäure erfolgt heteroge-nes Immersionsgefrieren schon im mittleren Sättigungsbereich um 1,4.Wüstenstäube sind besonderswirksame heterogene Eiskeime,weil sie schon bei SEis ~ 1,1 zurZirrenbildung beitragen.Aus diesen Ergebnissen lässt sichfolgern, dass eine Erhöhung desAnteils heterogener Eiskeime inHöhen über 6 km die Häufigkeit derZirrusbewölkung erhöht, da nied-rigere Übersättigungen früher unddamit öfter erreicht werden. Außer-dem ist die Konzentration hetero-gener Eiskeime deutlich kleiner alsdie der Lösungströpfchen, wes-halb heterogen gebildete Zirren ei-ne geringere Zahl, dafür aber grö-ßere Eiskristalle aufweisen. Sol-che durch anthropogene Einflüssebedingte Veränderungen wirkensich direkt auf die Strahlungseigen-schaften der Zirren aus, weil we-nige große Eiskristalle wenigerSonnenlicht reflektieren als vielekleine. Die in AIDA-Experimenten ge-wonnenen Erkenntnisse fließen inKlimamodelle ein, um die Vorher-sagegenauigkeit von globalen Kli-masimulationenmodellen zu ver-bessern und den Effekt anthropo-gener Aerosolemissionen auf dasKlima genauer abzuschätzen. Abb. 3: In AIDA ermittelte Bereiche von Eis-Sättigungsverhältnis-sen, bei denen verschiedene Aerosolarten als Eiskeime aktiv wer-den. 1,01,21,41,6Eis-Sättigungsverhältnis S EisMineral-staubMisch-partikelLösungs-tröpfchen[1] U. Schumann, C. R. Physique 6, 549-565, 2005[2] O. Möhler, K. D. Beheng, Nachrichten 1-2, 68-72, 2003Literatur

Kristallklar und federleicht: Eiswolken im Labor

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