Weiterkommen in den Wolken

Als sich an einem Mittwinterabend die Dämmerung über Cambridge legt, hält Dan Cziczo für einen Moment inne, um eine spektakuläre Aussicht zu genießen. Es ist Sonnenuntergang, und knapp über dem Horizont bluten rote und orange Streifen in tiefere violette und blaue Streifen, während sich Wolken aller Art über den dunkler werdenden Himmel ziehen. Wattebauschwolken von Kumulus vermischen sich mit einer bedeckten Schicht aus Stratus, und dünne, federartige Cirrusfäden ziehen über ihnen. Für jeden, der eine Pause von der Arbeit macht, um entlang des Charles River nach Westen zu schauen, ist der Anblick atemberaubend.

Dan Cziczo

Für Cziczo, einen 42-jährigen Atmosphärenwissenschaftler am MIT, ist die Ansicht in gewisser Weise ist seine Arbeit. Cziczo untersucht die Wolkenbildung und sieht in Wolken – insbesondere Zirrus – einen Schlüssel zur Beantwortung einer entscheidenden Frage: Wie stark wird sich die Erde in naher Zukunft erwärmen?

Die beste Antwort, die Wissenschaftler bisher gefunden haben, ist noch ungewiss – irgendwo zwischen 1 und 5 °C, abhängig von der Menge an Treibhausgasen, die der Mensch der Atmosphäre zufügt. In Teilen der Welt könnte ein solcher Anstieg zu steigenden Meeresspiegeln, stärkeren Stürmen und schädlichen Bränden und Überschwemmungen führen. Mit jedem Grad der Erwärmung sagen Wissenschaftler einen Rückgang der Ernteerträge um bis zu 15 Prozent, einen Rückgang der von arktischen Meereis bedeckten Fläche um 15 Prozent, einen Anstieg der Niederschläge um 10 Prozent während der schwersten Stürme und einen 400-prozentigen Anstieg der durch Waldbrände verbrannten Gebiete in den USA voraus Westen der USA. Das heißt, der Unterschied zwischen einem und fünf Grad Erwärmung ist ziemlich groß.



Im Jahr 2007 kamen Wissenschaftler aus der ganzen Welt in einem Bericht des mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen zu dem Schluss, dass ein Großteil der Unsicherheit bei Klimaprojektionen mit Wolken zu tun hat. Die Wissenschaftler stellten fest, dass Wolken zwar das Eindringen von Sonnenstrahlung in die Atmosphäre blockieren können, aber die Bedingungen, unter denen sie sich bilden, und das Ausmaß, in dem sie den Planeten tatsächlich kühlen, indem sie diese Strahlung wegreflektieren, sind sehr schlecht verstanden. Erschwerend kommt hinzu, dass eine wärmere Erde mehr Feuchtigkeit enthält, was das Gesamtvolumen der Wolken erhöhen könnte.

Um die Unsicherheit bei Klimaprojektionen zu verringern, untersuchen Cziczo und seine Forschungsgruppe am MIT Themen wie Aerosole oder luftgetragene Partikel, die als Keime fungieren, die zur Wolkenbildung beitragen. Wenn Partikel wie Staub in die Atmosphäre aufsteigen, bilden sie eine Oberfläche, auf der Wasserdampf kondensieren oder gefrieren kann und einen feinen Nebel bildet, der aus der Ferne je nach Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit in einer Region geschwollen, geschichtet oder dünn erscheinen kann.

Unterschiedliche Partikel und Wolken verhalten sich unterschiedlich, und das Verständnis dieses Gleichgewichts ist wirklich der Weg, die Sicherheit [von Klimaprojektionen] zu erhöhen, sagt Cziczo. Es festzuhalten, um zu sagen: „Bekommen wir ein oder drei Grad Erwärmung?“ Das ist die Art von Sache, die wir versuchen herauszufinden.

Durch Zirrus sehen
Heute Abend fängt Cziczo die Wolkendarstellung von einer beneidenswerten Aussichtsplattform ein: dem Dach des 21-stöckigen Cecil and Ida Green Building des MIT, dem höchsten Gebäude in Cambridge.

Das Dach ist seit langem ein idealer Ort für atmosphärische Studien, in dem Instrumente untergebracht sind, die Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur messen. Gelegentlich wird Cziczo, ein außerordentlicher Professor am Institut für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften, seine Studenten hierher bringen, um Instrumentenmessungen vorzunehmen und anhand der Daten herauszufinden, ob und wo sich Wolken bilden.

Diesmal ist er jedoch nur wegen der Aussicht hier.

Wenn man durch den Sonnenuntergang schaut, kann man die höheren Wolken sehen, die Art von dünnen Wolken, sagt Cziczo und weist in der Ferne auf Cirruswolken hin. Sie stellen diese coolen Filamente her … ihr griechischer Name hat mit Rosshaar oder Stutenschwänzen zu tun, und diese sind die, die wir in letzter Zeit wegen ihrer Bedeutung für das Klima untersucht haben.

Cirruswolken bilden sich vier bis zwölf Kilometer über der Erdoberfläche im oberen Teil der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre. In solchen Höhen kann Wasserdampf um Partikel gefrieren und Eiskristalle bilden. Die entstehenden Eiswolken, auch Cirruswolken genannt, sind meist die erste Wolkenschicht, auf die das Sonnenlicht auf seinem Weg an die Oberfläche trifft. Die Eiskristalle fungieren als winzige Reflektoren, die das Sonnenlicht streuen. Es wird angenommen, dass Wolken im Allgemeinen genug Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektieren können, um zwischen der Hälfte und drei Viertel der Erwärmung durch Treibhausgase wie Kohlendioxid auszugleichen. Die Nettowirkung von Cirruswolken ist jedoch unklar: Während sie den Planeten vor einfallendem Sonnenlicht schützen, fangen sie auch Strahlung ein, die versucht, von seiner Oberfläche zu entweichen.

Um genau zu wissen, welche Rolle Cirruswolken spielen, ist es laut Cziczo wichtig zu verstehen, wie sie sich bilden – insbesondere welche Partikel oder Aerosole sie auf natürliche Weise aussäen.

Als die Sonne untergeht, geht er hinunter in sein Labor im 13. Stock, wo zwei Glasröhren, teilweise in einem Metallgehäuse eingeschlossen, Wolken zusammenbrauen. Das Setup, das er mit aufgebaut hat, wird Nebelkammer genannt. Durch die Anpassung von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit in der Kammer können Forscher perfekte Bedingungen für die Bildung von Wolkentröpfchen oder Eiskristallen schaffen. Die einzige fehlende Zutat ist ein idealer Samen, auf dem sich Wolken bilden können.

Sieben nach Samen
Cziczo hat verschiedene Aerosole getestet, um zu sehen, welche am leichtesten Wolken in der Kammer bilden. Indem er diese verschiedenen Aerosole in die Kammer einspeist, während er die Wetterbedingungen in bestimmten Teilen der Welt nachahmt, hofft er, festzustellen, welche Partikel in diesen Regionen die Wolkenbildung verursachen. Um dies zu demonstrieren, holt er ein kleines Glas mit grauem Pulver heraus, Mineralstaub, der in Wisconsin gesammelt wurde.

Machen wir einen Staubsturm, sagt er und schwenkt das offene Glas vor zwei Düsen, die Luft in jedes Glasröhrchen saugen. Die Röhren sind zu klein, um sichtbare Wolken zu erzeugen, daher verwendet Cziczo ein Lasersystem, um zu messen, ob der Wasserdampf zu Tröpfchen zusammengewachsen ist, die groß genug sind, um als Wolkenpartikel angesehen zu werden.

Als nächstes trocknet Cziczo die Wolkentröpfchen, indem er sie durch ein kleines Fach schickt, das mit Trockenmitteln gefüllt ist, ähnlich wie in den Päckchen in Schuhkartons. Er und seine Kollegen können sie dann analysieren, um die genaue Zusammensetzung des Wolkensamens zu bestimmen.

Die Nebelkammer ist klein genug, um verpackt und in jeden Teil der Welt gebracht zu werden, um direkt aus der Atmosphäre einer Region Proben zu nehmen, was Cziczo zufolge ein großer Vorteil ist. Wissenschaftler werden möglicherweise feststellen, dass ein bestimmtes Aerosol zwar hervorragend zum Aussäen von Wolken im Labor geeignet ist, dieses Aerosol jedoch nicht in der Höhe gefunden wird, in der es in der Natur Wolken bilden könnte. Es wird allgemein angenommen, dass biologisches Material eine fantastische Substanz zur Bildung von Eiswolken ist, sagt er und stellt fest, dass einige Pollenarten in seiner Kammer bemerkenswert gut Wolken erzeugen. Aber wenn Sie ins Freie gehen, stellen Sie fest, dass es in der oberen Troposphäre einfach nicht in großer Zahl vorhanden ist, sodass es keine großen Auswirkungen auf Wolken haben kann. Wenn Sie nur auf dem Boden gesampelt haben, könnten Sie sich selbst einreden, dass es wichtig ist. Daher hat er Wert darauf gelegt, sowohl Feldstudien als auch Laborarbeiten in die Forschung seiner Gruppe einzubeziehen.

Sitzen in Eiswolken
In den letzten 15 Jahren hat Cziczo Berggipfel auf der Suche nach Aerosolen besucht, die wahrscheinlich in der oberen Troposphäre zu finden sind. Als Postdoc an der University of Colorado und der National Oceanic and Atmospheric Administration unternahm er Reisen zum Storm Peak Laboratory im nördlichen Zentral-Colorado, wo er mit einer frühen Version der Nebelkammer Höhenwolken beprobte. Diese Erfahrung bereitete ihn auf einen Forschungs- und Lehrauftrag an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich und dann auf einen buchstäblichen Höhepunkt seiner Karriere vor: eine Zeit lang Wolken am Sphinx-Observatorium zu sammeln, einer abgelegenen Forschungsstation, die entlang der Wirbelsäule des Berner Alpen. Benannt nach seiner sphinxähnlichen Architektur, ist es eines der höchsten landgestützten Observatorien der Welt auf mehr als 11.000 Fuß über dem Meeresspiegel. In dieser Höhe können Mischphasenwolken, die Zirruswolken ähneln, die Gipfel bedecken.

Der Ort, der als Top of Europe bezeichnet wird, ist tagsüber eine Touristenattraktion, wenn die Leute mit dem Zug anreisen – elektrisch betrieben, um die Messungen der Wissenschaftler nicht durch Abgase zu verfälschen. Nachts jedoch heben die Touristen ab, und die Forscher schlafen ein.

In der ersten Nacht schläft niemand, erinnert sich Cziczo. Sie bekommen pochende Kopfschmerzen und fühlen Ihr Herz schlagen. Es dauert ein paar Tage, um sich zu akklimatisieren, aber danach ist es erstaunlich … manchmal sitzt man tatsächlich in Eiswolken.

Nach seiner Zeit in der Schweiz setzte Cziczo seine Arbeit in den USA am Pacific Northwest National Laboratory fort. Im Jahr 2011 zog er in den Osten, um der Fakultät am MIT beizutreten.

Im März 2011 brachten er und seine Studenten die Nebelkammer zum Johnson Space Flight Center in Houston, wo sie sie an der Nase eines alten B-57-Bombers montierten. Das Flugzeug, das in den 1950er Jahren bei Aufklärungsmissionen eingesetzt wurde, wurde seitdem als Forschungsflugzeug umfunktioniert und wird heute für Projekte wie eine NASA-Feldkampagne namens Mid-Latitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX) eingesetzt. Das Flugzeug fliegt bis zu 63.000 Fuß hoch und ist damit perfekt für die Probenahme von Zirruswolken, obwohl es schwierig sein kann, vorherzusagen, wann sie erscheinen könnten.

In einem Zeitraum von sechs Wochen sammelte das Team Wolkenproben über dem Golf von Mexiko und der Wüste im Südwesten. Die Analyse ihrer Zusammensetzung ergab, dass Mineralstaub, wie Sand, der von einem Wüstensturm aufgewirbelt wurde, etwa 60 Prozent der Aerosole in diesen Wolken ausmachte. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass zwischen 8 und 25 Prozent der wolkenbildenden Staubpartikel Blei enthielten. Was sie nicht fanden, war vielleicht überraschender: biologisches Material wie Pollen und Sporen oder Kohlenstoff aus Schornsteinen. Während Forscher im Labor gesehen haben, dass Kohlenstoff und Pollen leicht Wolken bilden, machte diese Art von Aerosol in Cziczos Ergebnissen weniger als 1 Prozent der Zirruswolkenpartikel aus.

Die Forscher hoffen, dass solche Experimente helfen werden, genau herauszufinden, welche Aerosole Zirruswolken bilden und, was noch wichtiger ist, ob diese Aerosole durch menschliche Aktivitäten freigesetzt werden. Cziczo sagt zum Beispiel, dass Mineralstaub zwar eine natürliche Substanz ist, die hauptsächlich aus Schmutz und Sand besteht, die von der Erdoberfläche weggeblasen werden, der Mensch jedoch die Menge davon in der Atmosphäre erheblich verändert hat.

Wenn Sie die Landnutzung ändern, wenn Sie Wälder abschaffen, um Ackerland zu schaffen, oder wenn Sie unter Ackerbau arbeiten … stören Sie Mineralstaub, sagt er. Es ist also ein natürliches Teilchen, aber es gibt mehr davon aufgrund von menschengemachten Aktivitäten. Und es sieht so aus, als ob es eines dieser Dinge ist, das Eiswolken bildet. Der vom Team gefundene bleihaltige Wolkenstaub stammte wahrscheinlich ebenfalls von menschlichen Aktivitäten: Quellen wie Flugzeugauspuffrohre, Kohlekraftwerke und bleihaltiges Benzin, das erst Mitte der 1990er Jahre weltweit aus dem Verkehr gezogen wurde. Obwohl er sicherlich nicht für eine weitere Verschmutzung plädiert, räumt Cziczo ein, dass die globale Erwärmung viel schlimmer wäre, wenn nicht der menschliche Partikel der Atmosphäre hinzugefügt würde.

In der Vergangenheit haben sich Klimabewertungsgruppen nicht wirklich damit befasst, ob anthropogene Aktivitäten Eiswolken beeinflussen könnten, obwohl sie für das Klima bekannt sind, sagt Jon Abbatt, Professor für Atmosphärenchemie an der University of Toronto. Das ist das Besondere an Dans Arbeit. Er hat die Fähigkeit zu beurteilen, ob es in Eiswolken anthropogene Signaturen gibt. Dies ist der Ausgangspunkt für den Versuch, eine Einschätzung der Eisbildung in Bezug auf den Klimawandel vorzunehmen.

Gemeinsam messen
Cziczo und eine wachsende Gemeinschaft von Atmosphärenforschern hoffen, dass die Identifizierung der Grundlagen der Wolkenbildung jede verbleibende Unsicherheit über die globale Erwärmung auslöscht. Neben ihrer experimentellen Arbeit entwickeln sie Klimamodelle, die die Wolkenbildung einbeziehen. Die gesammelten Daten werden dazu beitragen, solche Modelle viel präziser zu machen, obwohl es erhebliche Herausforderungen zu meistern gilt: Die meisten Modelle simulieren das Klima, indem sie den Globus in ein Raster einteilen und Wetterdaten über Quadrate mit einer feinsten Auflösung von 100 Quadratkilometern mitteln. Die Einbindung von Wolkendaten auf der Ebene feiner Aerosole würde enorme Rechenleistung erfordern.

Chien Wang, Senior Research Scientist am Center for Global Change Science des MIT, arbeitet mit Cziczo zusammen, um Wege zu finden, diese feinteiligen Daten in groß angelegte Klimamodelle einzupassen. Dans Labor- und Feldarbeit kann uns offensichtlich helfen, unser Modell zu verbessern, um die Verbindung zwischen Aerosolen und Eiswolken und deren Klimawirkungen besser zu simulieren, sagt Wang. Ich bin sehr froh, dass wir ihn im Haus haben können.

Cziczos Arbeit kann auch dazu beitragen, ein weiteres großes Hindernis auf diesem Gebiet zu überwinden. Forscher in unterschiedlichen Gruppen neigen dazu, ihre eigenen Nebelkammern zu bauen, und die Messungen von einer sind möglicherweise nicht mit denen einer anderen vergleichbar. Das Instrument, bei dessen Entwicklung Cziczo mitgewirkt hat, wurde kürzlich von einer Firma in Colorado lizenziert, die es als erste kommerzielle Eisnebelkammer herstellt. Modellnummer 001 hat einen Ehrenplatz auf seinem Labortisch am MIT, und andere Forscher haben weitere Einheiten bestellt.

Zurück in seinem MIT-Büro schaut Cziczo aus seinem Fenster, eine weite Aussicht, die die Skyline von Boston und ein paar vereinzelte Wolken über ihm umfasst. Gelegentlich macht er Bilder von Wolkenformationen oder interessanten Kondensstreifen von vorbeifliegenden Flugzeugen und bittet seine Schüler, die Art der Wolke zu identifizieren und wo sie sich gebildet haben könnte. Es ist eine Übung, die sowohl aus reinem Staunen als auch aus wissenschaftlicher Neugier geboren wurde.

Als Kind war ich immer irgendwie fasziniert von Wolken und Fliegen und solchen Dingen, erinnert er sich. Ich glaube, es macht mir jetzt mehr Freude, weil ich einiges davon verstehe und immer noch versuche, nach draußen zu schauen und Dinge herauszufinden.

Dan Cziczo untersucht nicht nur Wolken in der Erdatmosphäre, sondern untersucht auch solche, die sich auf dem Mars bilden könnten. Obwohl die Marsatmosphäre zu dünn ist, um Leben zu ermöglichen, zeigten jüngste Bilder des Mars Reconnaissance Orbiter der NASA Kohlendioxidschnee, der aus Wolken niedergeschlagen wurde.

Marslabor

Um herauszufinden, was diese Wolken bilden könnte, die für Cziczo wie Diamantenstaub aussahen, lassen er und seine Schüler im Labor Wolken unter marsähnlichen Bedingungen wachsen. Kürzlich machten sie einen Ausflug zur größten Nebelkammer der Welt, der Anlage für Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) in Karlsruhe, Deutschland – einem alten, umfunktionierten Kernreaktor, dessen Kern durch eine dreistöckige Kammer ersetzt wurde . Wissenschaftler aus der ganzen Welt nutzen die massive Kammer, um großräumige Effekte zu beobachten, die sie in Tischmodellen nicht sehen konnten.

Cziczos Team kontaktierte die NASA, um Staubproben zu erhalten, von denen angenommen wurde, dass sie eine ähnliche Zusammensetzung wie Staub auf dem Mars haben (er wurde tatsächlich aus US-Wüsten gesammelt) und sie in der Nebelkammer platziert, um ihre Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit an die auf dem Mars beobachteten Werte anzupassen. Das Experiment bildete erfolgreich eine Wasser-Eis-Wolke.

Cziczo hofft, diesen neuen außerirdischen Zweig seiner Forschung fortzusetzen, der seiner Meinung nach teilweise von den atmosphärischen Bildern des Mars Reconnaissance Orbiter und der NASA inspiriert wurde Phönix Lander.

Man kann Eiskristalle sehen, die aus der Atmosphäre fallen, sagt er. Und es ist lustig, denn als ich diese Bilder zum ersten Mal sah, sahen sie aus wie Wolken in der Erdatmosphäre.

- J. C.

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