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Aerosole und ihre Bedeutung bei der Bildung von Wolkentropfen

Kann man sich eine Welt ohne Aerosole vorstellen? Können schon, aber dann wäre diese eine bedeutsam andere Welt. Als sehr kleine Partikel innerhalb der Atmosphäre sind sie wesentlicher Bestandteil bei der Wolkenbildung.

Wolken Stratocumulus
Bei der Entstehung von Wolken(tropfen) spielen Aerosole eine bedeutende Rolle.


Seit Beginn der Corona-Pandemie sind Aerosole immer wieder ein Begriff, welcher in Medien auftaucht. Aerosole sind ein heterogenes Gemisch aus festen und/oder flüssigen Teilchen in einem Gas. Sie sind aber auch aus anderen Bereichen bekannt, wie zum Beispiel der Luftreinhaltung. Dort fällt oft der Begriff Feinstaub, wobei es hier keine wirkliche fachliche Unterscheidung zu Aerosolen gibt. Feinstaub ist am Ende nichts anderes als ein Gemisch aus Aerosolpartikeln.

Aber Aerosole haben gerade bei der Bildung von Wolken einen unschätzbaren Wert. Trotz ihrer vermeintlich kleinen Größe von wenigen Nanometern (z.B. Sulfate, Nitrate, organische Verbindungen, Ruß, Viren usw.) bis hundert Mikrometern (z.B. Bakterien, Pollen, Mineralstaub, Pilzsporen und Seesalz) sind sie maßgeblich bei der Entstehung und Entwicklung von Wolken beteiligt.

Aersole Vulkanasche Pollen Seasalz Ruß
Verschiedene Arten von Aerosolen (Bilder nicht im selben Maßstab). Von oben links: Vulkanasche, Pollen, Seasalz und Ruß. Quelle: Earth Observatory

Bevor überhaupt Wolken entstehen können, muss der eine oder andere Prozess ablaufen und das Vorhandensein von Aerosolen ist eine nötige Vorraussetzung. Eine Welt ohne Aerosole würde in puncto Wolken komplett anders aussehen. Klassisch lernt man: Wolken bilden sich, sofern genug Wasserdampf in der Atmosphäre vorzufinden ist. Wenn also die Luftfeuchtigkeit 100% erreicht hat oder der Taupunkt und die Lufttemperatur identisch sind. Die Luft ist also mit Wasser gesättigt und kondensiert aus. Dabei spielen allerdings Aerosole eine bedeutsame Rolle und ohne diese würde der Prozess der Wolkenbildung so nicht stattfinden.

Gekrümmte Oberflächen als Spielverderber

Um das Phänomen etwas genauer zu durchleuchten, müssen wir auf den Dampfdruck wasserdampfhaltiger Luft zurückgreifen. Der Dampfdruck ist derjenige Teil des Luftdrucks, der auf den in der Luft vorhandenen Wasserdampf zurückgeht. Wie wir schon wissen, kann Luft nicht unendlich viel Wasserdampf aufnehmen. Dies wird mit dem Sättigungsdampfdruck beschrieben, der eine exponentielle Funktion der Temperatur ist.

Ausgleich von Dampfdruck und Sättigungsdampfdruck

Betrachten man nun Wasser allein in seiner flüssigen und gasförmigen Form (auch Phase genannt), wissen wir, dass Sättigung erreicht ist, sobald der Dampfdruck und der Sättigungsdampfdruck gleich groß sind. Dabei handelt es sich um ein Gleichgewichtszustand und es gibt keinen Nettotransport. Es wandern also genau so viele Wassermoleküle von der flüssigen Phase in die gasförmige und umgekehrt. Vergleichbar mit einem Haus, aus dem genauso viele Menschen nach draußen gehen, wie in das Haus eintreten.

Diese Betrachtung gilt allerdings für (genau genommen unendlich ausgedehnte) ebene Wasseroberflächen. Wolkentropfen sind jetzt alles andere als ebene Wasseroberflächen, sondern sie sind gekrümmt. Durch die Krümmung verändert sich der Sättigungsdampfdruck und wird größer. Dadurch ändert sich auch das oben beschriebene Verhalten. Sobald der Sättigungsdampfdruck größer als der tatsächliche Dampfdruck wird, verdunstet Wasser. Es findet also ein Nettotransport von der flüssigen in die gasförmige Phase statt. Während also bei einer ebenen Wasseroberfläche nichts passiert, würde unter gleichen Bedingungen ein Wassertropfen verdunsten. Und es gilt, je kleiner der Tropfen, desto größer der Sättigungsdampfdruck. Es müssten also spontan große Wolkentropfen entstehen, damit eine Wolke entstehen könnte.

Die Lösung ist die Lösung des Problems

Nun, eigentlich entstehen auch nicht immer bei 100% Luftfeuchtigkeit sofort Wolkentropfen. Es benötigt meist eine Übersättigung, also einen Dampfdruck, der größer ist als der Sättigungsdampfdruck. Da die Luftfeuchtigkeit das Verhältnis aus Dampfdruck und Sättigungsdampfdruck ist, kann auch die Übersättigung in % angegeben werden. Knapp gesagt: eine Luftfeuchtigkeit von 101% entspricht einer Übersättigung von 1%.

Würde in der Atmosphäre nur der Prozess einer gekrümmten Oberfläche eine Rolle spielen, würde es unter den normalen Bedingungen der Atmosphäre gar keine Wolken geben. Wolkentropfen hätten gar nicht die Chance zu entstehen. Es bräuchte Übersättigungen von 300 - 400%, damit sich überhaupt spontan Wolkentropfen bilden könnten. Real liegt die Übersättigung meist um die 1%, seltener mal bei 10%. Wie wird dieses Problem umgangen?

Hier kommen nun Aerosole ins Spiel. Diese werden dann auch Wolkenkondensationskeime genannt. Die relevantesten Aerosole sind wasserlöslich. Anfangs wurde nur vom Sättigungsdampfruck über einer reinen Wasseroberfläche gesprochen. Jetzt kommt aber eine weitere Komponente hinzu. Gelöste Stoffe sorgen dafür, dass der Sättigungsdampfdruck verringert wird. Der tatsächliche Sättigungsdampfdruck ist nun eine Kombination aus dem Effekt einer gekrümmten Oberfläche (erhöht den Sättigungsdampfdruck) und dem über einer Lösung (verringert den Sättigungsdampfdruck).

Daraus ergibt sich der Sättigungsdampfdruck über einem Lösungstropfen. Die Dafür nötige Übersättigung ergibt sich aus den Bestandteilen des Aerosols und der Größe des Aerosols. So gilt zum Beispiel, je kleiner das Aerosol, desto größer ist die benötigte Übersättigung. Je größer das Aerosol, desto kleiner die benötigte Übersättigung, um einen Wolkentropfen entstehen zu lassen. Erst durch Aerosole werden also Wolken, so wie wir sie kennen, möglich. Kleine Dinge, große Auswirkungen.