In zwölf bis 18 Kilometern Höhe über dem Mittleren Osten und Asien erstreckt sich die Asiatische Tropopausen-Aerosolschicht (ATAL). Diese Ansammlung von Aerosolen wurde 2011 zum ersten Mal im asiatischen Monsun nachgewiesen, ihre Zusammensetzung und Wirkung waren bisher jedoch nicht erforscht. Ein europäisches Konsortium von Wissenschaftlern konnte nun erstmals zeigen, dass diese Schicht aus kristallinem Ammoniumnitrat besteht. Wie dieses in der oberen Troposphäre entsteht haben Klimaforscher in der Wolkenkammer AIDA nachgewiesen. Seine Ergebnisse stellt das Konsortium in der Zeitschrift Nature Geoscience vor.
Das Forscherteam hat mit einer hoch spezialisierten Kombination aus Fernerkundungsmessungen, in-situ-Messungen, meteorologischen Modellrechnungen, dezidierten Labormessungen und detaillierten numerischen Simulationen die Verteilung und Zusammensetzung der Aerosole in der ATAL untersucht. Aerosole sind kleinste Schwebeteilchen aus vielfältigen natürlichen und vom Menschen verursachten Quellen. In der Atmosphäre dienen sie als Kondensationskerne, an die sich gasförmiger Wasserdampf anlagert und dadurch Wolkentröpfchen bildet. Das Team konnte nun erstmals ein Forschungsflugzeug in die oberen Stockwerke des asiatischen Monsuns bringen und dort Schlüsselprozesse von globaler Bedeutung erforschen. Die verschiedenen Methoden und Instrumente ergänzten sich so, dass sie die Messwerte gegenseitig bestätigen konnten. Beteiligt waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Forschungszentrums Jülich (FZJ), der Johannes Gutenberg-Universität und des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz, des Alfred-Wegener-Instituts sowie des Laboratoire de Météorologie Dynamique in Paris und des Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima in Rom.
Die Flugkampagne war Teil des Projekts StratoClim, in dem 37 wissenschaftliche Organisationen aus elf europäischen Ländern, den USA, Bangladesch, Indien und Nepal unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), zusammenarbeiten. Projektleiter Markus Rex vom AWI sagt: „Erstmals ist es gelungen, ein Forschungsflugzeug in die oberen Stockwerke des asiatischen Monsuns zu bringen und dort Schlüsselprozesse von globaler Bedeutung zu erforschen." Das Höhenforschungsflugzeug M55-Geophysika trug dabei 25 speziell entwickelte Messinstrumente in Flughöhen von über 20 Kilometern Höhe, etwa zweifach höher als übliche Flugzeuge erreichen können." Damit konnten wir sogar die extrem hoch reichenden Gewittertürme des Monsuns noch überfliegen und erstmals die Luft studieren, die sich von diesem Bereich dann in oberen Luftschichten und in der Stratosphäre global ausbreitet“ hebt Rex die Bedeutung der Messungen hervor.
„Überraschenderweise konnten wir in weiten Teilen der ATAL kristallines Ammoniumnitrat als Hauptbestandteil nachweisen“, fasst Dr. Michael Höpfner vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung des KIT die Forschungsergebnisse, die mithilfe der Flugkampagne erarbeitet wurden, zusammen. Die unerwarteten Ergebnisse, die unter anderem das Messinstrument GLORIA des KIT und des Forschungszentrums Jülich lieferte, konnten die Klimaforscher in der „Wolkenkammer“ AIDA am KIT bestätigen: „Unsere Experimente zeigten, dass, entgegen der allgemeinen Lehrmeinung, flüssige Ammoniumnitrat-Tröpfchen bei kleinen, hauptsächlich schwefelhaltigen Verunreinigungen und minus 50 Grad zu festen Teilchen kristallisieren, die auch bei den Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen der oberen Troposphäre bestehen bleiben“, so Dr. Robert Wagner vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Aerosolforschung des KIT. Mit Satellitenbeobachtungen konnten die Forscher tatsächlich große Mengen Ammoniumnitrat-Aerosole über Asien zurück bis ins Jahr 1997 nachweisen – ein Jahr, in dem die ATAL als noch nicht existent galt.
„Damit haben wir das langjährige Rätsel über die Zusammensetzung der ATAL gelöst“, sagt Michael Höpfner. Denn bisher galt es als unwahrscheinlich, dass dieses Aerosol in solch großen Höhen vorkommt, da Regen das Vorläufergas Ammoniak sehr schnell aus der Atmosphäre wäscht. Diese Ergebnisse sind vor allem für die Wechselwirkungen von Wolken und Aerosolen wichtig, eine der größten Unsicherheiten in der Klimamodellierung. Zudem belegen sie, dass das am Boden emittierte Ammoniak großen Einfluss auf die Prozesse in der oberen Troposphäre – und möglicherweise das asiatische Klima – hat.
Zur vollständige Publikation in Nature Geoscience "Ammonium nitrate particles formed in upper troposphere from ground ammonia sources during Asian monsoons" ist online verfügbar.