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Iodsäure beeinflusst Wolkenbildung am Nordpol
Ein internationales Forschungsteam vom Paul Scherrer Institut PSI, der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne EPFL und der Universität Stockholm haben erstmals Iodsäure als wichtigen Faktor für die Bildung von Feinstaubpartikeln in der Arktis identifiziert. Wie die Forschenden zeigen, beeinflusst Iodsäure die Entstehung neuer Aerosolpartikel und damit die Bildung von Wolken. Da diese die Sonnenstrahlung reflektieren, aber auch Wärme auf der Erdoberfläche zurückhalten, haben sie Einfluss auf die Erwärmung der Arktis. Die Studie erscheint heute im Fachblatt Nature Communications.
Die Arktis erwärmt sich zwei- bis dreimal schneller als der Rest unseres Planeten. Wissenschaftler haben mehrere Faktoren identifiziert, die für die verstärkte Erwärmung verantwortlich sind. Zwar ist die relative Bedeutung der einzelnen Faktoren noch unklar, «aber wir wissen, dass Wolken eine wichtige Rolle spielen können», sagt Julia Schmale, Professorin an der EPFL, die für das Forschungslabor «Extreme Environments» verantwortlich ist und zum Zeitpunkt der Expedition eine Forschungsgruppe im Labor für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut PSI leitete. «Indem sie die Sonnenstrahlen zurück in den Weltraum reflektieren oder die Wärme nahe der Erdoberfläche wie eine Decke einfangen, helfen Wolken, den Planeten entweder abzukühlen oder zu erwärmen.»
Zusammen mit weiteren Forschenden des Labors für Atmosphärenchemie des PSI und der Universität Stockholm sammelte Julia Schmale im August und September 2018 Daten in der Nähe des Nordpols. Das geschah im Rahmen der US-schwedischen Expedition «Arctic Ocean 2018» an Bord des schwedischen Eisbrechers «Oden». Die Forschenden massen die chemischen und physikalischen Eigenschaften von atmosphärischen Molekülen und Feinstaubpartikeln, um die Bedingungen, die zur Wolkenbildung führen, besser zu verstehen. «Auf dieser Expedition konnten wir die genauen Quellen für Aerosolpartikel untersuchen, die es braucht, damit Wolken entstehen», fasst Paul Zieger zusammen, Professor an der Universität Stockholm und Leiter des Forschungsprojekts zu Aerosol- und Wolkenbildungsprozessen auf der Expedition.
Vom Feinstaub zur Wolke
«Unter anderem wollten wir untersuchen, wie sich neue Aerosolpartikel in der arktischen Atmosphäre bilden können», sagt Andrea Baccarini, Doktorand am Paul Scherrer Institut und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungslabor «Extreme Environments» der EPFL. «Unter den richtigen Bedingungen lagern sich Gasmoleküle zu kleinen Clustern zusammen, die wachsen können und schliesslich Aerosole bilden.» Aerosole, auch als Feinstaub bezeichnet, sind feste und flüssige Substanzen, die in der Luft schweben. Wenn diese Aerosole eine bestimmte Grösse erreichen, können sie als Kondensationskeime fungieren und so die Wolkenbildung in Gang setzen.
Im arktischen Sommer und Herbst ist die Konzentration von Aerosolen in der Luft äusserst niedrig. «Neu gebildete Aerosole können einen extrem wichtigen Beitrag leisten: Selbst eine kleine Änderung der Konzentration in der hohen Arktis könnte einen großen Einfluss auf die Wolkenbildung haben oder die Reflexionseigenschaften der Wolken verändern», sagt Baccarini.
Iodsäure erscheint im frühen Herbst
Wie das Forschungsteam herausfand, fördert Iodsäure zwischen Spätsommer und Frühherbst die Bildung neuer Aerosole. «Am Ende des Sommers gibt es in der Arktis weniger Eis, viel offenes Wasser und die Konzentration von Iodsäure ist zu diesem Zeitpunkt sehr niedrig», sagt Schmale. «Gegen Ende August sinkt die Temperatur und das Wasser beginnt wieder zu gefrieren. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Iodsäurekonzentration stark an, woraufhin sich viele neue Aerosolpartikel bilden.»
Iodsäure entsteht in der Atmosphäre durch die Oxidation von Iod oder anderen iodhaltigen Molekülen. Der exakte Mechanismus, der zur Freisetzung von Iod über dem arktischen Meereis führt, ist noch nicht bekannt. Basierend auf früheren Studien vermuten die Forschenden, dass Iod entweder durch mikrobiologische Aktivität unter dem Eis freigesetzt wird oder aber durch chemische Reaktionen mit Meersalz auf gefrorenen Oberflächen.
Das Team entwickelte ein einfaches Modell, um die unterschiedlichen Konzentrationen von Iodsäure in der Atmosphäre zu erklären: Sie hängen weitgehend von den lokalen Wetterbedingungen ab. Die Forschenden beschrieben auch die gesamte Ereigniskette, von der Bildung neuer Partikel bis zur Bildung von Wolken, sprich: vom Gasmolekül, das zunächst ein Aerosolpartikel erzeugt, bis zur Bildung von Wolkenkondensationskernen. «Diesen Prozess unter realen Bedingungen zu beobachten und zu beschreiben, war eine extrem seltene Gelegenheit», sagt Schmale.
Text: Erstellt auf der Grundlage einer Medienmitteilung der EPFL mit Ergänzungen des Paul Scherrer Instituts/Brigitte Osterath