Die Jetstream der Erde hilft bei der Bildung der Vorläufer der Wolken.

Wissenschaftler haben eine neue Quelle für die Samen von Wolken gefunden. Wenn die stratosphärische Schicht der Erdatmosphäre einen Fuß in die darunter liegende Troposphäre setzt, entsteht eine fruchtbare Umgebung, in der winzige neue Partikel, einschließlich der mikroskopischen Aerosole, um die sich Wolken zu bilden beginnen, entstehen können.

Daten von vier Flügen von NASA-Flugzeugen in verschiedenen Regionen der Nordhalbkugel im Jahr 2016 und 2017 bestätigten, dass dieser Mechanismus, genannt stratosphärische Luftintrusion, nicht nur eine Quelle neuer Partikel ist, sondern auch möglicherweise der produktivste Ort für diese Partikel auf der Erde ist, berichten Jiaoshi Zhang, ein Aerosolforscher an der Washington University in St. Louis, und Kollegen am 12. Juli in Science.

Bisher haben Wissenschaftler angenommen, dass die meisten neuen Partikel in Regionen der Atmosphäre entstehen, in denen Wolken nach oben in die obere Troposphäre treiben und sich auflösen. Wenn es dort regnet, werden vorhandene Partikel mit dem Regenwasser entfernt. Was in diesen "Wolkenausfluss"-Regionen zurückbleibt, ist eine weiße Fläche, im Grunde genommen praktisch frei von Partikeln, sodass gasförmige Moleküle nichts haben, an dem sie sich anlagern können. Stattdessen bilden sie neue Partikel.

Die Luftbeobachtungen legen jedoch nahe, dass stratosphärische Luftintrusionen noch produktiver sind, wenn es um die Bildung von Partikeln geht. Turbulenzen in der Atmosphäre, verursacht durch den Jetstream, einen schnell fließenden Luftstrom, können dazu führen, dass Finger stratosphärischer Luft herunterstoßen und sich in die darunter liegende Troposphäre krümmen.

Die beiden atmosphärischen Schichten haben sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, und an den Stellen, an denen sich diese Luftmassen vermischen, entstehen sehr produktive Partikelfabriken, sagt der Mitautor der Studie Jian Wang, ebenfalls ein Aerosolforscher an der Washington University in St. Louis. Die Stratosphäre ist kalt und ozonreich, während die Troposphäre wärmer, feuchter und eine Vielzahl von Molekülen wie Schwefeldioxid enthält. Katalysiert durch Sonnenlicht und Wasser, kann die chemische Reaktion dieser Luftmassen eine Vielzahl von winzigen Partikeln erzeugen, einschließlich wolkenkehrendem Sulfat.

Genau welche und wie viele Partikel durch diese stratosphärischen Luftintrusionen entstehen, ist Gegenstand zukünftiger Arbeiten, sagt Wang. "Wir verstehen die Mechanismen nicht wirklich im Detail. Wir wissen aus den Daten, dass ... man Sonnenschein, viel Ozon und Feuchtigkeit benötigt", um hoch reaktive Moleküle, sogenannte OH-Radikale zu produzieren. Diese Moleküle reagieren eifrig mit anderen Gasen in der Atmosphäre. Daher finden wahrscheinlich viele verschiedene chemische Reaktionen in diesen Regionen statt, die eine Vielzahl von neuen Molekülen und Partikeln erzeugen.

Die Wellenbewegung des Jetstreams kann zu stratosphärischen Luftintrusionen führen (siehe Abbildung unten), bei denen die ozonreiche Stratosphäre in die wasserreiche Troposphäre eintaucht. Die Troposphäre enthält auch eine Vielzahl von gasförmigen Molekülen wie Schwefeldioxid, das von fossilen Brennstoffen und Vulkanen ausgestoßen wird. Die chemischen Reaktionen zwischen den beiden Schichten, katalysiert durch Sonnenlicht und Wasserdampf, erzeugen die Vorläufer von feinen Aerosolpartikeln wie Schwefelsäure. Frühere Untersuchungen legten nahe, dass der primäre Mechanismus für die Bildung neuer Partikel in der Atmosphäre in den "Wolkenausfluss"-Regionen liegt, wo Wolken hoch in der Troposphäre zerfallen.

Trotz dieser Unsicherheiten weist die Analyse des Teams zur Häufigkeit und Produktivität von stratosphärischen Luftintrusionen im Vergleich zu Wolkenausflugereignissen darauf hin, dass die Intrusionen möglicherweise eine größere Quelle für neue Partikel sind, insbesondere in den mittleren Breiten der Erde. Und der Klimawandel dürfte die Zirkulation in der Stratosphäre um die Erde intensivieren, was wiederum die Häufigkeit erhöhen könnte, mit der die Stratosphäre in Zukunft in die Troposphäre eindringt. Das deutet darauf hin, dass dieser Mechanismus möglicherweise noch wichtiger für die Bildung neuer Partikel wird, sagt Wang.

Diese Ergebnisse heben eine wichtige Quelle für die Bildung neuer Partikel hervor, die lange Zeit übersehen wurde, sich jedoch "allgegenwärtig und häufig" in der Atmosphäre ereignet, sagt Yuanlong Huang, ein atmosphärischer Aerosolchemiker am Eastern Institute for Advanced Study in Ningbo, China, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. "Es handelt sich um einen Mechanismus, der noch nicht in aktuellen Erdmodellen enthalten ist."

Und eine so große, zuvor unerkannte Quelle für neue Partikel könnte wiederum bedeuten, dass die Bildung dieser Partikel eine größere Rolle dabei spielt, wie die eingehende Sonnenstrahlung auf der Erde verteilt wird - einschließlich dessen, wie viel die Oberfläche des Planeten erreicht im Vergleich dazu, wie viel von Aerosolen und Wolken hoch in der Atmosphäre absorbiert wird - als Wissenschaftler bisher dachten.