Wolken haben einen starken Einfluss auf physikalische und chemische Prozesse in der Atmosphäre. Die Untersuchung von Wolkenprozessen in einer natürlichen Umgebung ist aufgrund der Höhenlage sowie der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Wolken eine Herausforderung. Bodenbasierte Wolkenexperimente auf Hügelkuppen in Verbindung mit vorgelagerten und nachgelagerten Talstationen bieten die Möglichkeit, gasförmige Spezies, Aerosolpartikel und Wolkentröpfchen vor, während und nach dem Durchzug einer Luftmasse durch eine Wolke physikalisch und chemisch zu charakterisieren. Dieser Ansatz trägt zu einem besseren Verständnis der vielfältigen Prozesse bei, die bei Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen ablaufen.

TROPOS organisiert und leitet regelmäßig solche komplexen Feldversuche im Rahmen internationaler Kooperationen. Diese Kampagnen finden am Berg Schmücke im Thüringer Wald statt, wo ein 20 m hoher Messturm viele der eingesetzten Probenahmetechniken beherbergt. An drei Messstandorten wird gleichzeitig ein breites Spektrum an Messmethoden eingesetzt, um die Zusammensetzung der Gasphase, Aerosolpartikel und das Wolkenwasser zu untersuchen.

 

Zu den wichtigsten Erkenntnissen aus diesen Experimenten gehören:

  • Chemische Veränderung von Aerosolpartikeln. Nach dem Durchgang durch eine Hügelkappenwolke wurde beobachtet, dass Aerosolpartikel eine veränderte chemische Zusammensetzung aufweisen. Bei einigen Wolkenereignissen können Sulfat und organisches Material aus SO2 und organischen Vorläufern durch Prozesse in der wässrigen Phase innerhalb der Wolke entstehen.

     
  • Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Partikel. Nach dem Durchgang durch die Wolke erwiesen sich die Aerosolpartikel als hygroskopischer; sie nehmen leichter Wasser auf und werden in nachfolgenden Wolkenbildungszyklen schneller zu Wolkentröpfchen aktiviert. Dies hängt wahrscheinlich mit der veränderten chemischen Zusammensetzung zusammen.

     

  • Anreicherung organischer Stoffe in Wolkentröpfchen. Wolkentröpfchen enthalten viel höhere Konzentrationen bestimmter organischer Spezies (Carbonylverbindungen, sauerstoffhaltige flüchtige organische Verbindungen) als nach dem derzeitigen Verständnis der Phasenverteilung zu erwarten wäre. Mögliche Erklärungen sind die Adsorption organischer Stoffe an der Tröpfchenoberfläche oder die Bildung eines organischen Films, die beide chemische Prozesse in den Tröpfchen und den Austausch von Spurenstoffen zwischen Wasser und Luft beeinflussen könnten.

     

  • Reduktion von Radikal-Oxidationsmitteln in der Gasphase. Wolken reduzieren die Konzentrationen wichtiger Radikal-Oxidationsmittel (OH und HO2) in der Gasphase und beeinflussen damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre. Dies wurde am Standort Schmücke erstmals experimentell beobachtet.

Messinfrastruktur am Berg Schmücke im Thüringer Wald: (a) die Talstation Gehlberg und (b) die neue SCO-Bergstation. Quelle: TROPOS