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Die Arktis erwärmt sich zwei- bis dreimal schneller als der Rest des Planeten. Diese verstärkte Erwärmung ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen, aber die relative Bedeutung der einzelnen Faktoren ist noch unklar: «Wir wissen jedoch, dass die Wolken eine wichtige Rolle spielen könnten», sagt Julia Schmale, Professorin an der EPFL, die das Forschungslabor für Extreme Umgebungen leitet und den Ingvar-Kamprad-Lehrstuhl innehat. «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 Forschenden des Labors für Atmosphärenchemie des Paul-Scherrer-Instituts sowie der Fakultät für Umweltwissenschaften und dem Bolin-Zentrum für Klimaforschung der Universität Stockholm sammelte Schmale im August und September 2018 mehrere Wochen lang Daten in der Nähe des Nordpols im Rahmen der amerikanisch-schwedischen Expedition Arctic Ocean 2018 an Bord des schwedischen Eisbrechers Oden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler massen die chemischen und physikalischen Eigenschaften von atmosphärischen Molekülen und Aerosolpartikeln, um die Bedingungen, die zur Wolkenbildung führen, besser zu verstehen.
Wie Aerosole in der Arktis entstehen
«Eines unserer Ziele war es, zu untersuchen, wie sich neue Aerosolpartikel in der arktischen Atmosphäre bilden können», sagt Andrea Baccarini, Doktorand am PSI und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter im «Extreme Environments» der EPFL. «Unter den richtigen Bedingungen lagern sich Gasmoleküle zu kleinen Clustern zusammen, die wachsen können und schliesslich Aerosole bilden.» 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 extrem niedrig: «Der Beitrag neu gebildeter Aerosole kann extrem wichtig sein, und selbst eine kleine Änderung der Aerosolkonzentration in der hohen Arktis könnte einen grossen Einfluss auf die Wolkenbildung haben oder die Reflexionseigenschaften der Wolken verändern», sagt Baccarini. Es ist auch immer noch unklar, wie wichtig lokale Aerosolprozesse für die Wolkenbildung im Vergleich zum regionalen oder weiträumigen Transport sind: «Mit dieser Expedition konnten wir die genauen Quellen von Aerosolpartikeln untersuchen, die es braucht, damit Wolken entstehen», fügt Paul Zieger hinzu, Assistenzprofessor an der Universität Stockholm, der das Forschungsprojekt über Aerosol-Wolkenprozesse der Expedition 2018 leitete.
Iodsäure erscheint im Frühherbst
Das Forschungsteam fand heraus, dass Iodsäure, eine chemische Verbindung, die zuvor noch nicht in der Region beobachtet worden war, zwischen dem Spätsommer und dem Frühherbst die Bildung neuer Aerosole auslöst: «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, was den Beginn der so genannten Gefrierperiode markiert. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Iodsäurekonzentration stark an, woraufhin sich viele neue Aerosolpartikel bilden.»
Das Team entwickelte ein einfaches Modell zur Erklärung der Variabilität der Iodsäure in der Atmosphäre, die weitgehend von den lokalen meteorologischen Bedingungen abhängt. Ausserdem konnten sie die gesamte Ereigniskette beschreiben, die von der Bildung neuer Teilchen bis zu den Wolken führt, vom Gasmolekül, das zunächst ein Teilchen erzeugt, bis zur Bildung von Wolkenkondensationskernen: «Diesen Prozess unter realen Bedingungen zu beobachten und zu beschreiben, war eine äusserst seltene Gelegenheit», sagt Schmale.
Ihre Ergebnisse, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurden, geben einen besseren Einblick in die Rolle biogeochemischer Prozesse für die Wolkenbildung über dem arktischen Packeis und möglicherweise auch für die Erwärmung der Arktis.