Aufwinde entscheidend: Wolken auf der Südhalbkugel genauer verstehen

Die Wolken auf der Südhalbkugel reflektieren mehr Sonnenlicht als die Wolken auf der Nordhalbkugel. Der Grund dafür ist das häufigere Auftreten von flüssigen Wassertröpfchen, das aus einem Zusammenspiel von Aufwinden und einer saubereren Umgebung resultiert.

In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Atmospheric Chemistry and Physics veröffentlicht wurde, hat ein Forscherteam unter Leitung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) einen stärkeren Einfluss der Aufwinde als zunächst erwartet, festgestellt. Ermöglicht wurden die neuen Ergebnisse durch Langzeitmessungen in Leipzig (Deutschland), Limassol (Zypern) und Punta Arenas (Chile).

Mit einer Dauer von drei Jahren sind die Messungen in Punta Arenas der längste Datensatz zu Wolkeneigenschaften, der mit bodengestützten Lidar- und Radarmessungen im Südlichen Ozean gewonnen wurde. Von 2018 bis 2021 hatte ein internationales Team der Universität Magallanes (UMAG), des TROPOS und der Universität Leipzig im Rahmen des Feldexperiments DACAPO-PESO umfangreiche Beobachtungen von Aerosolen, Wolken, Wind und Niederschlag ganz im Süden von Chile durchgeführt. Die Forscher nutzten zwei Datensätze von den nordhemisphärischen Standorten Leipzig und Zypern, um ihre Ergebnisse in einen globalen Kontext zu stellen. Die Daten der CyCARE-Feldkampagne auf Zypern wurden in den Jahren 2016 bis 2018 in Zusammenarbeit mit Forschern der Cyprus University of Technology und dem ERATOSTHENES Centre of Excellence in Limassol erhoben.

Das Hauptziel der Messungen in der unberührten Umgebung an der Südspitze Südamerikas war es, die Atmosphäre zu untersuchen und mehr über die Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken in einer Region zu erfahren, für die bisher kaum Langzeitdaten vorliegen. Um diesen Mangel an Beobachtungen zu beheben, brachte TROPOS die beiden Container des mobilen Atmosphärenobservatoriums LACROS zusammen mit Instrumenten der Universität Leipzig nach Punta Arenas. Dort wurden die Beobachtungen zusammen mit dem Labor für Atmosphärenforschung der UMAG durchgeführt. Die Instrumentierung von LACROS besteht aus mehreren Lidaren, Radaren, Radiometern, Sonnenphotometern und anderen. Ergänzt wurden diese Messungen durch Aerosolfilterproben vom Cerro Mirador, einem 600 m hohen Hügel in der Nähe.

Ursprünglich waren die Messungen für ein Jahr als Beitrag zum „Year of Polar Prediction in the Southern Hemisphere“ (YOPP-SH) geplant. Doch aufgrund der weltweiten COVID-19-Pandemie und der daraus resultierenden Reisebeschränkungen wurden die Messungen um zwei Jahre verlängert und erst Ende 2021 abgeschlossen. „Wissenschaftlich war diese Verzögerung von großem Nutzen“, sagt Kevin Ohneiser, Doktorand am TROPOS. Denn in diesen Zeitraum fielen die riesigen Waldbrände des „Schwarzen Sommers“ 2019/20 in Australien. Deren Rauch wurde mehr als 10.000 Kilometer über den Pazifik nach Südamerika transportiert und konnte dort bis zum Abschluss der Messungen Ende 2021 mit den laserbasierten Untersuchungen bis in Höhen von 25 km beobachtet werden. Da die Luft im Süden Chiles normalerweise sehr sauber ist, war diese Art der Luftverschmutzung sofort spürbar und unterstreicht den globalen Einfluss der großen Waldbrände auf das Klima.

„Mit DACAPO-PESO haben wir eine Messlücke geschlossen, die für die südliche Hemisphäre schon lange besteht. Die frei verfügbaren Daten können nun dazu beitragen, aktuelle Klimamodelle zu verbessern“, erklärt Dr. Boris Barja von der UMAG, der vor Ort entscheidend dazu beigetragen hat, dass die Instrumente trotz der Covid-19-bedingten Reisebeschränkungen durchgehend in Betrieb sein konnten.

Mit bisher mehr als 10 Folgeprojekten, 20 Konferenzbeiträgen und 10 Forschungspublikationen ist das Projekt wissenschaftlich sehr erfolgreich verlaufen. Weitere Publikationen stehen kurz vor der Fertigstellung. Teresa Vogl, Doktorandin an der Universität Leipzig, arbeitet beispielsweise derzeit an einer Methode zur Charakterisierung der Niederschlagsbildung mit einem auf maschinellem Lernen basierenden Wolkenradar-Algorithmus.

Das kürzlich erreichte Hauptziel des Projekts war jedoch, die Unterschiede dünner Wolkenschichten über Leipzig, Limassol und Punta Arenas zu untersuchen. Aufgrund des hohen Anteils an Ozeanen, die die Erde auf der Südhalbkugel bedecken, ist die Atmosphäre in dieser Region sauberer, d.h. sie enthält weniger Aerosolpartikel. Dieser Unterschied ist in der freien Troposphäre – den Luftmassen in größeren Höhen, die nicht von lokalen Verschmutzungsquellen beeinflusst werden – besonders ausgeprägt. „Weniger Partikel bedeuten weniger Eiskerne in der Atmosphäre. Aber genau diese werden benötigt, damit Wolkentröpfchen bei Temperaturen zwischen 0 und -40°C zu Eiskristallen gefrieren. Deshalb vereisen Wolken in den mittleren Breiten der Südhalbkugel viel weniger und enthalten bei gleichen Temperaturen mehr flüssiges Wasser. Das bedeutet, dass sie das einfallende Sonnenlicht und auch die von der Erdoberfläche abgegebene Wärmestrahlung anders beeinflussen als im Norden. Dies ist eine Erklärung dafür, dass globale Klimamodelle die Strahlungsbilanz der Südhalbkugel noch nicht ausreichend genau abbilden können“, fasst Dr. Patric Seifert vom TROPOS zusammen. Im Temperaturbereich zwischen -24 und -8°C führte der Mangel an Eiskernen dazu, dass die Wolken über Punta Arenas durchschnittlich 10 bis 40 Prozent seltener Eis bildeten als die Wolken über Leipzig. Auch die von den Flüssigwasserwolken produzierte Eismasse ist mindestens um den Faktor 2 geringer.

Im Gegensatz zu früheren Studien sind die Unterschiede in der Luftverschmutzung jedoch nicht die einzige Ursache für die beobachteten Kontraste, insbesondere bei noch niedrigeren Temperaturen. Die Untersuchungen in Südchile haben gezeigt, dass die Wolken häufig durch so genannte Schwerewellen beeinflusst werden. Der starke Westwind aus dem Pazifik prallt auf die Andenberge, wird nach oben verschoben und erzeugt diese Schwerewellen. „Durch die Messung der Auf- und Abwinde innerhalb der Wolken konnten wir Wolken aufspüren, die von diesen Wellen beeinflusst wurden, und sie aus der Gesamtstatistik herausfiltern. Damit konnten wir zeigen, dass diese Schwerewellen und nicht das Fehlen von Eiskernen hauptverantwortlich für den Überschuss an Wolkentröpfchen bei Temperaturen unter -25°C sind“, erklärt Dr. Martin Radenz vom TROPOS, der für seine Arbeit zu diesem Thema kürzlich den Doktortitel erhielt. „Ob dieses Phänomen allerdings nur die Wolken im Süden Chiles beeinflusst, ist derzeit unklar. Wie wichtig sind Schwerewellen für die Bildung von Wolken und Niederschlägen in anderen Regionen des Südlichen Ozeans? Wie häufig treten Schwerewellen über dem offenen Ozean auf, der den größten Teil der Erdoberfläche zwischen 30 und 70 Grad Süd bedeckt und derzeit nur von Satelliten beobachtet wird? Weitere Messungen der Luftbewegung in den Wolken sind erforderlich, um die Rolle der Eiskerne für den scheinbaren Überschuss an flüssigem Wasser in den Wolken weiter einzugrenzen. In naher Zukunft wollen wir mit unseren Partnern zusammenarbeiten, um diese Fragen an anderen Orten der südlichen Hemisphäre zu untersuchen, z. B. in der Antarktis und in Neuseeland, und idealerweise auch von Bord von Forschungsschiffen aus. Denn vom Weltraum aus sind solche Beobachtungen derzeit nicht möglich.“

Die beiden LACROS-Container werden Ende Januar wieder am TROPOS in Leipzig sein und dann für ihren nächsten Einsatz vorbereitet. Im Rahmen von ACTRIS-D, dem deutschen Beitrag zur europäischen Forschungsinfrastruktur für Aerosole, Wolken und Spurengase, werden dann drei neue Instrumente integriert. Mit einem neuen Sonnenphotometer, einem Mikrowellenradiometer und einem 94-GHz-Wolkenradar wird LACROS im November in die Schweizer Alpen fliegen, um künstlich erzeugte Eiswolken zu untersuchen.

Datum: Januar 26, 2022

Quelle: Institute for Tropospheric Research (TROPOS)


Martin Radenz, Johannes Bühl, Patric Seifert, Holger Baars, Ronny Engelmann, Boris Barja González, Rodanthi-Elisabeth Mamouri, Félix Zamorano, Albert Ansmann. Hemispheric contrasts in ice formation in stratiform mixed-phase clouds: disentangling the role of aerosol and dynamics with ground-based remote sensingAtmospheric Chemistry and Physics, 2021; 21 (23): 17969 DOI: 10.5194/acp-21-17969-2021

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