Ammoniak kann Wolken beeinflussen
Klimaforscher lösen Rätsel
In 12 bis 18 Kilometern Höhe über dem Mittleren Osten und Asien erstreckt sich die "Asiatische Tropopausen- Aerosolschicht" (ATAL). Diese Ansammlung von Aerosolen wurde 2011 zum ersten Mal im asiatischen Monsun nachgewiesen, ihre Zusammensetzung und Wirkung ist bisher jedoch nicht erforscht. Ein europäisches Konsortium von Wissenschaftlern konnte nun erstmals kristallines Ammoniumnitrat als Hauptbestandteil der Schicht sowie seine Herkunft nachweisen.
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Johannes Gutenberg-Universität und des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz, des Alfred-Wegener-Instituts sowie des Laboratoire de Météorologie Dynamique in Paris und des Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima in Rom kombinierten für ihre Untersuchungen Messflüge eines hochfliegenden Forschungsflugzeugs während des asiatischen Monsuns mit Satellitenbeobachtungen, um die Verteilung und Zusammensetzung der Aerosole in der ATAL zu untersuchen. Ihre Beobachtungen analysierten die Wissenschaftler zusätzlich mithilfe von meteorologischen Modellrechnungen und Labormessungen.
"Überraschenderweise konnten wir in weiten Teilen der ATAL kristallines Ammoniumnitrat als Hauptbestandteil nachweisen", erklärt Dr. Michael Höpfner vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (IMK-AAF) des KIT. Aerosole sind kleinste Schwebeteilchen aus vielfältigen natürlichen und vom Menschen verursachten Quellen. In der Atmosphäre können sie als Kondensationskerne, an die sich Wassertröpfchen anlagern, die Wolkenbildung beeinflussen.
Mit Satellitenbeobachtungen konnten die Forscher nun erstmals große Mengen Ammoniumnitrat-Aerosole über Asien zurück bis ins Jahr 1997 nachweisen – ein Jahr, in dem die ATAL als noch nicht existent galt. Wesentliches Datenmaterial dazu stellten die Jülicher Stratosphärenforscher zur Verfügung. Das von der Universität Wuppertal entwickelte Infrarotspektrometer CRISTA ("CRyogenes Infrarot-Spektrometer und Teleskop für die Atmosphäre") kam 1997 bei einer Space Shuttle-Mission der NASA erfolgreich zum Einsatz.
"Mit dem Instrument wurden global atmosphärische Infrarotspektren mit einer bisher unerreichten räumlichen Auflösung gemessen", so Prof. Martin Riese, Direktor am Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Stratosphäre. Bei einer neuen Auswertung der Daten in Hinblick auf die Zusammensetzung der ATAL beobachtete sein Team dann einen spektralen "Fingerabdruck", der aber zunächst noch keiner Substanz sicher zugeordnet werden konnte.
Für die aktuelle Studie wurden dann Messungen in der "Wolkenkammer" AIDA in Karlsruhe durchgeführt, bei denen die spektralen Fingerabdrücke eindeutig festen Ammoniumnitratpartikeln zugeordnet werden konnten. Auf dieser Grundlage gelang es den Jülicher Wissenschaftlern, die während der CRISTA-Messung vorhandene Konzentration der Partikel im Bereich der ATAL quantitativ zu bestimmen und damit nachzuweisen, dass diese Schicht schon 1997 sehr ausgeprägt war.
Die Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler lieferten darüber hinaus einen wichtigen Beitrag zu den detaillierten Messungen von Ammoniak – des Gases, aus dem sich das feste Ammoniumnitrat bildet. Die Messungen waren Teil einer Kampagne mit dem russischen Forschungsflugzeug Geophysica im Sommer 2017 in Nepal im Projekt StratoClim, die vom Jülicher Wissenschaftler Dr. Fred Stroh geleitet wurde. Zum Einsatz kam dabei GLORIA ("Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere").
Dahinter steckt eine Infrarot-Kamera, die die von den atmosphärischen Gasen ausgesandte Wärmestrahlung in ihre Spektralfarben zerlegt. Dadurch können diese Gase und ihre großräumigen Bewegungen sehr genau abgebildet werden. Das Instrument wurde gemeinsam von der Jülicher Stratosphärenforschung und dem Karlsruher Institut für Technologie entwickelt.
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