Geheime Wolken-Experimente am CERN: Wie ein Alu-Zylinder entscheidet, ob die Erde sich weiter aufheizt
Alle Jahre wieder im frühen Herbst beginnen Forscherinnen und Forscher am CERN in Genf mit einem weitgehend unbekannten Forschungsprojekt: Zwei Wochen lang verbinden sie ihre Geräte mit Kabeln und Steckern, Laptops und Bildschirmen, Ventilatoren und Zählern.
Anschließend werden ihre Stationen in die Ports der sogenannten CLOUD-Kammer eingebunden – und das gemeinsame Messen kann beginnen.
Ziel: Wie entstehen Wolken
Die Forscherinnen und Forscher haben das Ziel, die Entstehungszyklen von Wolken zu entschlüsseln. Welche Rolle spielen dabei winzige Aerosolpartikeln, an denen sich Wolken überhaupt erst bilden?
Zur Beantwortung dieser Frage dient die CLOUD-Kammer: ein drei Meter breiter Edelstahlzylinder, in dem sich Luft unter exakt kontrollierten Bedingungen mischen lässt.
Aerosole - Keimzellen der Wolken
Wie entstehen Aerosole, wie wachsen sie an – und wann verschwinden sie wieder? Wie bewölkt war die Erde vor der Industrialisierung? Wie verändern sich Wolken in einer sich erwärmenden Welt? Viele der Prozesse um die Aerosole gelten bis heute als große Unbekannte in Klimamodellen.
Wolken regulieren den Wärmehaushalt des Planeten. Sie besser zu verstehen, ist deshalb ein Gebot der Stunde. Ob hohe oder tiefe Wolken häufiger werden oder schneller verschwinden, ob und wie helle oder dunkle, wässrige oder eisige Wolken entstehen: all das entscheidet darüber, wie stark sich die Erde aufheizt.
Die CLOUD-Kammer
Die CLOUD-Kammer steht in der Osthalle des CERN. Nichts daran erinnert an die sternchenstrahlenden Fotos der Website. In Alufolie gewickelt, versprüht die Wolkenkammer eher den Charme eines Raumschiffs aus frühen Science-Fiction-Filmen.
Doch der Schein trügt, denn es handelt sich um die reinste Aerosolkammer der Welt, gespickt mit modernster Technologie. Die Außenhaut im Alufolien-Look ist eine dicke Isolierschicht, die die Temperatur im Inneren stabil hält.
So können die Forscher in der Kammer alle Klimazonen, Wetterverhältnisse und Höhenlagen der Troposphäre simulieren.
Das ist die unterste Atmosphärenschicht, die an den Polen rund acht Kilometer, am Äquator bis zu 18 Kilometer in die Höhe reicht. Die Troposphäre ist nicht nur die Wetterküche unseres Planeten, sondern auch das „Geburtszimmer“ und die Heimat der Wolken.
Wolken - eine entscheidende Komponente bei Klimamodellen
Wolken sind für Klimamodelle entscheidend – und zugleich schwer zu berechnen. Wasser allein bildet noch keine Wolke. Dafür braucht es winzige Partikel, an denen sich Wasserdampf anlagern kann. Diese Partikel heißen Aerosole. Sie sind die Kombination aus einem Gas und den darin schwebenden Aerosolpartikeln. ›Aero‹ steht für Luft, ›sol‹ steht für gelöst.
Die Hälfte von ihnen gelangt als Meersalz, Staub, Ruß, Pollen direkt in die Atmosphäre.
Die andere Hälfte ist mindestens ebenso wichtig, also jene Aerosolpartikel, die erst in der Luft entstehen, und zwar aus Gasen, die durch chemische und physikalische Prozesse „umgebaut“ werden.
Aus flüchtigen Vorläufergasen, etwa Schwefeldioxid aus Fabriken oder Gasen, die von Bäumen ausgestoßen werden, entstehen zunächst winzige Molekülcluster, nur ein bis zwei Nanometer groß.
Um zu Wolkenpartikeln zu werden, müssen sie rasch weiterwachsen. Gelingt das nicht, zerfallen sie wieder. Klappt es, entstehen Partikel, die groß genug sind, dass sich Wasser daran anlagern kann.
Wolken beeinflussen den Wärmehaushalt des Planeten auf unterschiedliche Weise.
Die Art der Wolken ist entscheidend!
Welche Wolkentypen überwiegen, entscheidet darüber, wie stark sich die Erde erwärmt.
Es ist irreführend, dass auch Luftverschmutzung helle Wolken erzeugen kann, die ihre eigene Klima-wirkung entfalten kann. Der Schiffverkehr hat das eindrücklich bewiesen. Zwanzig Jahre alte Satellitenbilder zeigen Gitternetze aus Wolken über stark befahrenen Schifffahrtsrouten. Jeder Wolkenstrich stammte von einem Frachter.
Als 2020 eine Verordnung den Schwefelgehalt von Schiffsdiesel um achtzig Prozent senkte, wurde die Luft nach und nach sauberer. Seit dieser Zeit gibt es auch weniger reflektierende Striche am Himmel. Das erhöhte den Wärmeeintrag und gilt inzwischen als eine von mehreren Erklärungen für den massiven Hitzesprung im Atlantik im Sommer 2023.
Andere Wolken wirken wärmend. In der oberen Troposphäre können Eiswolken wie eine Decke fungieren: Sie halten Wärme darunter zurück und lassen zugleich mehr Sonnenstrahlen durch als dichte Wasserwolken.
Auch das lässt sich an einem Beispiel verdeutlichen. Flugzeuge überziehen den Himmel mit Gittern aus Eiswolken, gebildet aus Abgasen wie Wasserdampf. Da diese aus Eis bestehen und in großer Höhe auftreten, wirkt der Kondensstreifen-Effekt wärmend für die darunter liegenden Land- und Meeresflächen. Daran ändern auch alternative Treibstoffe nichts.
Genau die Wege vom flüchtigen Gas zum Wolkentröpfchenkeim versucht CLOUD mit Experimenten nachzuvollziehen. In der Klimakammer ist die Simulation jeder Temperatur ebenso möglich wie jede Höhenlage und jede Luftfeuchtigkeit. Lampen in verschiedenen Wellenlängen und UV-Licht simulieren die wichtigen photochemischen Effekte der Sonne.
Warum findet die Forschung am CERN statt?
Warum aber steht CLOUD dann ausgerechnet am CERN, diesem Epizentrum der Grundlagenphysik? Der Grund dafür ist der ›Strahl‹ – auch „Beam“ genannt. Der Beam kommt vom Proton-Synchrotron, einem der ältesten und kleinsten Teilchenbeschleuniger des CERN.
Er ist eines von neun Teilchenbeschleunigern. Das Proton-Synchrotron dient heute vor allem als Vorbeschleuniger für die größeren Maschinen. CLOUD nutzt den Ionenstrahl, um kosmische Strahlung zu simulieren, jene hochenergetisch geladenen Teilchen, die permanent aus dem All auf die Erde prasseln.
Der CERN-Physiker Jasper Kirkby begann im Jahr 2009 mit seinem Projekt, das er CLOUD nannte, eine Abkürzung für die eigentliche Bezeichnung „Cosmics Leaving Outdoor Droplets“. Mittlerweile hat sich der Fokus der Forschung auf andere Gasverbindungen auf dem Planeten selbst verlagert.
Den größten Anteil der Untersuchung macht heute Isopren aus, ein Gas aus Blattpflanzen vor allem aus dem Amazonasgebiet. Direkt über dem Dschungel wurden daraus nie Partikel und so blieb Isopren lange kaum beachtet.
Erst in der Wolkenkammer wurde klar, dass Isopren große Höhen braucht, in die es Aufwinde und Gewitter tragen: Bei Temperaturen unter minus 50 Grad Celsius entstanden plötzlich massenhaft Partikel, die wieder absanken und zur Entstehung unterer Wolken beitrugen.
Die von CLOUD später ›rein biogene Nukleation‹ genannte natürliche Partikelbildung war eine Sensation in der Forschung. Bis 2010 war man davon ausgegangen, dass dafür zwingend Schwefelsäure nötig sei, also eine Substanz, die fast ausschließlich aus fossiler Verbrennung stammt.
Weil man mit der Annahme ›mehr Schwefelsäure = mehr Wolken‹ rechnete, wurde der kühlende Effekt anderer Ursachen für Aerosolebildung nicht berücksichtigt.
Neue Experimente mit Jod, das in großen Mengen aus Algen freigesetzt wird, weisen in dieselbe Richtung. Die Rolle von Jod bei der Wolkenbildung werde bislang unterschätzt.
Biogene Gase und andere Emissionen
Biogene Gase in der heutigen Atmosphäre sind allerdings nicht mehr allein. Sie treffen auf Emissionen aus Landwirtschaft und Industrie und lassen neue Dynamiken entstehen. So kann die Kombination mit Schwefelsäure und Ammoniak, das vor allem aus der Viehzucht stammt, zu einem regelrechten Booster für die Wolkenkeimbildung werden.
Wenn Bäume und Pflanzen Wolken entstehen lassen, müsste es vor der Industrialisierung deutlich mehr dichte, helle und langlebige Wolken gegeben haben. Genau das bestätigten die Berechnungen am CERN.
Das erklärte Ziel des Forschungsprojektes am CERN war von Anfang an, die Partikelbildung nicht nur zu verstehen, sondern die experimentell erfassten Abläufe auch in Formeln zu gießen. Als Teilmodelle können sie dann dem Code der großen Klimamodelle hinzugefügt werden.
Derartige Ergänzungen finden laufend statt und machen die Modelle immer genauer.