Wolken über der Antarktis: Erste fluggestützte Aerosol-Messungen seit zwei Jahrzehnten durchgeführt

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals seit 20 Jahren wieder fluggestützte Aerosol-Messungen über der Antarktis durchgeführt. Die Kampagne SANAT liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Wolken entstehen – und welche Rolle winzige Aerosole für das Klimasystem spielen.

Die Flugkampagne SANAT untersuchte den Ursprung und Transport von Aerosolen in der antarktischen Atmosphäre, an denen sich Wolken bilden – das erste Mal auch weit im Landesinneren. Bild: Philipp Joppe/MPI für Chemie

Die Antarktis übernimmt im globalen Klimasystem eine zentrale Funktion, indem ihre gewaltigen, hellen Flächen große Mengen Sonnenstrahlung zurück ins All reflektieren. Neben dem Eis tragen auch Wolken maßgeblich zur Kühlung bei. Doch wie sich Wolken über dem Südpolargebiet bilden und welche Vorgänge sie dort steuern, wurde bisher nur unzureichend untersucht. Insbesondere die Bedeutung sogenannter Aerosole – winziger Schwebteilchen in der Atmosphäre – wirft noch viele Fragen auf.

Wolken entstehen, wenn Wasserdampf an kleinsten Schwebepartikeln (Aerosolen) kondensiert, die aus Meersalz, Staub oder Ruß bestehen und als Keime für Wassertröpfchen oder Eiskristalle dienen.

Über der Antarktis ist die Konzentration solcher Partikel jedoch außergewöhnlich gering. Schon geringe Veränderungen in ihrer Anzahl oder chemischen Zusammensetzung könnten daher erhebliche Auswirkungen auf die Wolkenbildung und damit auf die Strahlungsbilanz der Erde haben.

Weil noch nicht geklärt ist, wie Aerosole die Wolken über der Antarktis genau beeinflussen, haben das Alfred-Wegener-Institut (AWI), das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) und das Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC) die Flugkampagne SANAT ins Leben gerufen.

„Wir untersuchen, aus welchen natürlichen und anthropogenen Quellen Aerosole stammen, unter welchen Bedingungen sich neue Partikel bilden und wie sich ihre Eigenschaften verändern, wenn sie in unterschiedlichen Höhen der Atmosphäre schweben oder über Ozeanen, Schelfeis und dem antarktischen Kontinent transportiert werden.“

– Dr. Zsófia Jurányi vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)

Dr. Zsófia Jurányi vom Alfred-Wegener-Institut koordiniert gemeinsam mit Dr. Frank Stratmann vom TROPOS und Prof. Stephan Borrmann vom MPIC das Projekt. „Vor allem geht es uns um die Partikel, die als Kondensationskerne oder Eiskeime wirken, da diese letztendlich dazu führen, dass und wie sich Flüssigphasen-, Mischphasen- oder Eiswolken bilden“, so Jurányi.

Messflüge bis zum 80. Breitengrad

Im Rahmen der Kampagne wurden zehn Forschungsflüge mit dem AWI-Flugzeug Polar 6 durchgeführt. Die Forschenden starteten zwischen Januar und Februar von der Neumayer-Station III und flogen bis zum südlichen 80. Breitengrad. „Die letzten vergleichbaren Messungen fanden vor 20 Jahren statt und die Kampagne damals konzentrierte sich nur auf die räumliche Verteilung von Aerosolen im antarktischen Küstenbereich“, erklärt Dr. Frank Stratmann vom TROPOS.

Wir haben nun erstmalig Aerosole weit im Süden über dem antarktischen Plateau vermessen und dies mit in Teilen neu entwickelten Techniken und Methoden.

Zum Einsatz kam unter anderem die Schleppsonde T-Bird, die an einem 60 Meter langen Kabel hinter dem Flugzeug hergezogen wurde und eigenständig Daten zur Partikelanzahl und -zusammensetzung erfasste. Zusammen mit Messgeräten an Bord sowie bodengestützten Beobachtungen an der Neumayer-Station konnten damit die atmosphärischen Bedingungen ermittelt werden. Neben Aerosolen wurden auch Luftdruck, Temperatur und Wasserdampfgehalt dokumentiert.

Die Schleppsonde T-Bird wird an einem 60 Meter langen Kabel hinter dem Flugzeug hergezogen und sammelt eigenständig Daten. Bild: Philipp Joppe/MPI für Chemie

Eine erste Auswertung überraschte: „Im Landesinneren haben wir eine unerwartet hohe Aerosolkonzentration und interessante chemische Zusammensetzungen beobachtet“, sagt Prof. Stephan Borrmann vom MPIC. Mit den neuen Daten könnten bestehende Wetter- und Klimamodelle verfeinert werden. Denn bisher beruhen viele Simulationen nur auf lückenhaften Annahmen für die Antarktis.

Die Antarktis und ihre Umgebung sind entscheidende Komponenten des globalen Erd- und Klimasystems, die zum einen auf den Klimawandel und seine Auswirkungen reagieren und sie gleichzeitig beeinflussen.

„Mit diesen einzigartigen Daten hilft unsere Kampagne nicht nur, Wettervorhersagen und Klimasimulationen zu verbessern“, sagt Zsófia Jurányi. „Wir tragen auch dazu bei, die Wechselwirkung von Wolken mit Aerosolen besser zu verstehen und ihren Einfluss auf das zukünftige Klima abzuschätzen.“

Ein fliegendes Labor

Die Polar 6 ist eines von zwei speziell ausgerüsteten Forschungsflugzeugen des AWI. Seit 2007 sind die Maschinen weltweit im Einsatz, um atmosphärische Prozesse, Meereis oder Schneestrukturen zu untersuchen. Für jede Mission wird das Instrumentarium neu angepasst. So können selbst abgelegene Regionen wie das antarktische Plateau detailliert erforscht werden.

Die aktuellen Flugdaten bauen auf jahrelangen Messreihen an der Neumayer-Station III auf. Dort werden seit 2019 Wolkenkondensationskerne und Eiskeime direkt erfasst und durch Lidar- und Radaruntersuchungen ergänzt.

Mit SANAT rückt nun erstmals das Zusammenspiel von Aerosolen und Wolken über dem Inneren der Antarktis in den Mittelpunkt – ein entscheidender Schritt, um die Klimadynamik des Kontinents besser zu verstehen.