Süddeutsche Zeitung

Klimaforschung in Karlsruhe:Die Eismaschine

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Wolken sind die großen Unbekannten der Klimaforschung. In einem Karlsruher Labor erzeugen Forscher sie aus Wasser und Pollen oder anderen kleinen Partikeln. Mit Himmelsromantik hat das aber nur wenig zu tun.

Von Robert Gast

Ottmar Möhler schaut in den Himmel über Karlsruhe und sucht nach Farbklecksern. Im Osten wellt sich eine Wolkenwand vor der Morgensonne, im Westen hat der Himmel Schäfchenwolken auf seinen blauen Hintergrund getupft. Möhler kneift die Augen zusammen und zeigt auf einen Schleier am Südhimmel: "Wenn das eine Zirruswolke wird, gibt es vielleicht bunte Flecken."

Ottmar Möhler muss das wissen. Der hochgewachsene 53-Jährige ist Wolkenforscher - und so sieht er auch aus: Aus seinem runden Gesicht wächst ein brauner Vollbart, um den Hals hat er einen schwarzen Schal geschwungen. Mit einer Fliegerbrille könnte man ihn sich gut an Bord eines Doppeldeckers vorstellen. Doch Möhler braucht kein Fluggerät für seine Arbeit. Der Himmel kommt zu ihm, in sein Labor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Atmospheric Aerosol Research Department (Aida). Auf Knopfdruck kann Ottmar Möhler dort Wolken erzeugen. Deswegen ist es auch nicht so schlimm, dass der Schleier am Südhimmel auseinanderfließt und sich als Flüssigwolke erweist, die aus Wasserdampf besteht - und keine bunten Flecken aufweist.

Eigentlich hatte Möhler am Morgenhimmel auf eine Wolke aus Eiskristallen gehofft - für Himmelsforscher gibt es dieser Tage kaum etwas Rätselhafteres. Beobachtet man solch eine Zirruswolke unter einem bestimmten Winkel, fächert sie das Sonnenlicht nach Farben auf, so ähnlich wie Wassertröpfchen in einem Regenbogen. Für Wolkenphysiker sind derartige Halo-Phänomene eine nette Bestätigung, dass irdische Naturgesetze auch in der Stratosphäre gelten. Sonst sind Wolken aus wissenschaftlicher Sicht noch reichlich undurchsichtig. Sie sind die große Unbekannte der Klimaforschung: Werden sie in einer wärmeren Welt häufiger entstehen? Und werden sie dann die Erde eher kühlen - oder den Klimawandel weiter anheizen?

Einfluss der Aerosole

Diese Fragen sind schwierig zu beantworten, weil es sich bei Wolken nicht bloß um Wasserdampf handelt, der beim Aufsteigen abkühlt und schließlich kondensiert, oder - wie im Fall von Möhlers Eiswolke - zu Eiskristallen erstarrt. In der Atmosphäre schwirrt ein Sammelsurium von Partikeln umher: Sandkörner aus der Wüste, Salz aus den Ozeanen und Ruß aus Vulkanen und Schornsteinen, aber auch Sporen, Pollen und Schwefelverbindungen. Ständig treffen solche Schwebeteilchen auf Wasserdampf-Moleküle, gemeinsam bilden sie sogenannte Aerosole, die mitunter völlig andere Eigenschaften als Wassertropfen haben. Forscher sind sich einig: Das Rätsel der Wolken lässt sich nur lösen, wenn man den Einfluss der Aerosole versteht.

Ottmar Möhler hat dem Oktoberhimmel den Rücken gekehrt und ist im Inneren von Aida verschwunden. Ihn interessiere sehr, wie stark menschgemachte Aerosole wie Ruß die Wolken - und damit das Klima - beeinflussen, sagt er. Aufgewachsen ist Möhler auf einem Bauernhof. Dort habe er bereits als Kind mitbekommen, wie wichtig das Verständnis von Wetter und Klima ist. Für seine Doktorarbeit sammelte er dann Spurengase in der Stratosphäre.

Um nun Wolken im Labor zu erforschen, musste er sich allerdings von ländlicher Idylle und Himmelspanoramen verabschieden: Die trist-graue Fassade des Containers von Aida fügt sich nahtlos in den Campus Nord des KIT ein, dem man noch deutlich seine Vergangenheit als Kernforschungszentrum ansieht. Im Inneren der Versuchsstätte wähnt man sich dann in einem U-Boot. Zwischen einem Gerüst aus grünen Stahlträgern steht ein sieben Meter hoher Koloss aus Aluminium, in seiner Unterseite verschwinden zahlreiche Kabel und Schläuche. Einzig im kleinen Kontrollraum hängt ein Erdpanorama mit einem majestätischen Wolkenzug - die einzige Spur jener Wolkenromantik, wie sie die "Cloud Appreciation Society" beschwört.

Boom der Wolkenforschung

Aida wurde 1996 gebaut, für damals zwei Millionen D-Mark. Eigentlich sollte die Kammer etwas anderes als Wolken erforschen: Ende des 20.Jahrhunderts gab es vor allem Gelder für die Erforschung des Ozonlochs. "2003 haben wir gelernt, Wolken zu machen", sagt Möhler. Den Forschern war eher per Zufall aufgegangen, dass sich kleine Tröpfchen in ihrer Kammer bilden, wenn sie die Luft abpumpen. Seit 2005 erlebt man nun einen Boom in der Wolkenforschung, sagt Möhler. In Japan steht eine mit Aida vergleichbare Wolkenkammer, und am Genfer Forschungszentrum Cern.

Generell haben es die Physiker geschafft, ein so vielseitiges Phänomen wie Wolken auf dessen wissenschaftlichen Kern zu reduzieren. Wo Meteorologen zig Typen unterscheiden, denken Physiker eigentlich nur noch in drei Kategorien, wie Möhler sagt. Da sind zunächst die tief liegenden Flüssig- oder Cumuluswolken, die sich jederzeit bei Temperaturen über null Grad Celsius aus Wassertröpfchen formen können. Daneben gibt es Wolken aus Eiskristallen, die sich bilden, wenn Wassertröpfchen in einem Luftpaket auf dem Weg in eisige Höhen gefrieren. Alles dazwischen ist für Physiker eine Mischung aus flüssiger und eisiger Wolke.

In ihrem Labor können die Karlsruher bestimmen, welche Wolkenart sie untersuchen wollen. Druck und Temperatur in Aida lassen sich punktgenau regeln, dank Kühlung mit flüssigem Stickstoff kann es im Inneren minus 90 Grad Celsius kalt werden. In die Kammer blasen die Forscher Wasserdampf und exakt dosierte Aerosol-Partikel - und schauen, was passiert. Der Phantasie der Wissenschaftler sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Im Sommer 2012 kam ein Team vom Massachusetts Institute of Technology zu Besuch und studierte mithilfe von Aida, wie Wolken aus Marsstaub aussehen könnten.

Schwachpunkt ist die "Mikrophysik"

Möhler und seine Gruppe interessiert sich vor allem für Eis- und Mischwolken. Besonders in Polnähe könnten sie sich in Zukunft häufiger bilden und so die Erwärmung der Erde beschleunigen. Das halten zumindest die Autoren des jüngsten Berichts des Weltklimarats IPCC für möglich, denn die hellen Schleierwolken lassen Sonnenlicht durch, schlucken aber die von der Erdoberfläche reflektierte Wärmestrahlung. Aber die Wissenschaft versteht erst langsam, welche Sorte Schwebeteilchen sich wie auf die Bildung von Eiskristallen auswirkt. "Wenn es um die Rolle der Aerosole bei der Wolkenbildung geht, stehen wir noch am Anfang", sagt Möhler.

Bisher ist nur gewiss, dass viele der Aerosole Wasserdampf in eisigen Höhen schneller gefrieren lassen. Von allein erstarren seine Tröpfchen erst bei minus 38 Grad. In der Realität bilden sich aber schon bei deutlich wärmeren Temperaturen Eiskristalle in Wolken. Im Detail verstehen kann man dieses Phänomen nur, wenn man das Zusammentreffen einzelner Schwebeteilchen mit eiskalten Wassermolekülen im Labor studiert. Bisher sei diese "Mikrophysik" ein Schwachpunkt jedes Klimamodells, schreiben die Autoren des IPCC-Reports. Die meisten Simulationen der Wissenschaftler unterteilen die Atmosphäre in horizontale Scheiben von 100 bis 1000 Meter Dicke - ob darin eishaltige Wolken entstehen, entscheidet sich indes vermutlich auf deutlich kleineren Skalen.

Aber selbst wenn die Modelle eines Tages mit besserer Auflösung rechnen, bleibt ein prinzipielles Problem. "Das sind keine deterministischen Prozesse mehr, sondern stochastische", sagt KIT-Forscher Alexei Kiselev. Soll heißen: Mal gefriert ein Wassertropfen fast sofort, wenn er einem Schwebeteilchen begegnet, mal erst nach einigen Sekunden. Schuld sind die Gesetze der Quantenphysik, die Begegnungen zwischen winzig kleinen Objekten nur noch als Kaskade von Wahrscheinlichkeiten begreifbar machen. Für Wissenschaftler, die reale Vorhersagen über die makroskopische Welt treffen wollen, ist das natürlich ein Albtraum. Überwinden kann man ihn wenn überhaupt mit viel Fleiß.

Geschichte einer Wolke

Auf einem Labortisch im Nebengebäude von Aida zappelt ein einsamer Wassertropfen in einem winzigen Käfig aus elektrischen Feldern. In dem kleinen Vakuum haben die Karlsruher Forscher die Temperatur auf minus 22 Grad gesenkt. Alle paar Sekunden wird ein Dutzend Birkenpollen in die Kammer gepumpt. Sie lassen den Tropfen früher oder später gefrieren. Einige hundert Mal wird das Experiment wiederholt, ein Wert für die mittlere Gefrierzeit berechnet - und anschließend kommt ein anderes Schwebeteilchen an die Reihe.

Am Nachbartisch hat ein Doktorand für seine Arbeit über 4000 Filmchen aufgenommen, die zeigen, wie Wassertropfen gefrieren. "Wir versuchen die ganze Geschichte einer Wolke in Einzelprozesse zu zerlegen", sagt Kiselev. Damit sei man natürlich ein Stück weit von der Realität entfernt, räumt er ein - aber so könne man teilweise die Ergebnisse von Aida verifizieren. Dort haben die Forscher in den vergangenen Jahren die Rate, mit der Aerosolpartikel gefrieren, für viele Schwebeteilchen vermessen. Wirklich zufrieden sind sie damit nicht: Noch stimmten die Ergebnisse nicht immer mit denen anderer Gruppen überein, sagt Möhler.

Weil der Kenntnisstand der Forscher insgesamt nach wie vor marginal ist, hat Möhler die Gelder für einen Ausbau seiner Anlage gewilligt bekommen. Neben Aida wird eine neue Wolkenkammer gebaut werden, 5,5 Millionen Euro soll sie kosten. Sie wird kleiner sein und Wolken noch genauer vermessen, als das Aida mit seiner Armada von Messinstrumenten vermochte: Mit den 50 Sensoren, die einmal pro Sekunde die Temperatur der Wolke erfassen und dem halben Dutzend Röhrchen im Boden für Partikelproben, mit dem Laser und der Handvoll Detektoren, mit der die Wolkenphysiker sogar die Form der Partikel in der Wolke bestimmen können.

Selbst an Romantiker hatten die Aida-Erbauer einst gedacht. Sie müssen allerdings eine schmale Treppe hinauf in die oberste Etage klettern. Da öffnet ein kleines Guckloch den Blick ins Innere der Kammer. Eigentlich wären Wolken in Aida wegen ihrer geringen Dichte unsichtbar für das menschliche Auge, erzählt Möhler. Wenn aber ein großer Eiskristall in den Laserstrahl driftet, füllt ein grünes Flackern die Kammer. Es gibt sie also tatsächlich in Karlsruhe, die farbigen Wolken.

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SZ vom 26.10.13/ahem
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