Bildung von Eiswolken 10.01.2024, 13:44 Uhr

Wie Feldspat unser Wetter beeinflusst

Es ist schon länger bekannt, dass Aerosolpartikel darüber entscheiden, ob es in unseren Breitengraden regnet oder nicht. Nun haben Wiener Forschende herausgefunden, welche Rolle das Erdgestein Feldspat dabei spielt.

Saharastaub in den Wolken

Ohne Feldspat, das als Staub (zum Beispiel als Saharastaub) in die Atmosphäre gelangt und die Eisbildung in Wolken anregt, würde es in unseren Breitengraden kaum regnen.

Foto: Panthermedia.net/Rott70

Rund 90 Prozent der Niederschlagsfälle in den troposphärischen Wolken entstehen durch die Eisphase, das haben Karlsruher Forschende vor einigen Jahren herausgefunden. Mineralstaub spielt dabei eine wichtige Rolle, insbesondere Feldspatpartikel tragen extrem effizient zur Wolkenbildung bei. Diese gelangen zum Beispiel über den Saharastaub nach oben in die Atmosphäre. Wie das dann genau mit der Eis- und Wolkenbildung funktioniert, hat die TU Wien herausgefunden.

Wie bildet sich Eis in der Atmosphäre?

Vor einigen Jahren hat Alexei Kiselev vom Karlsruher Institut für Technologie im Fachmagazin „Science“ beschrieben, wie sich Eis in der Atmosphäre bildet. Demnach spielen Aerosolpartikel die Hauptrolle bei der Entstehung von Wolken. Aerosole sind winzige, sowohl organische als auch anorganische Partikel, zu denen Mineralstaub und Verbrennungsrückstände aus Autoabgasen gehören.

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Obwohl nur ein sehr geringer Anteil der Aerosolpartikel – etwa eins von zehntausend – Wassertröpfchen zum Gefrieren bringen kann, ist ihre Wirkung für die Entstehung von Eis in der Atmosphäre unabdingbar. In unseren Breitengraden wäre ohne dieses Eis kaum Niederschlag möglich. Tatsächlich entstehen fast 90 Prozent des Niederschlags in troposphärischen Wolken durch diesen Eisbildungsprozess. Was die Eisbildung angeht, ist Feldspat besonders aktiv. Und hier kommt nun die Forschung an der TU Wien ins Spiel.

Darum ist Feldspat so wichtig für die Wolkenbildung

Feldspat ist eigentlich kein besonderes Mineral, es bedeckt etwa die Hälfte der Erdkruste. Dennoch spielt es eine überraschend wichtige Rolle in unserer Atmosphäre. Das durch Luft gewehte Feldspat-Mehl beeinflusst maßgeblich die Entstehung von Eiswolken. Wassermoleküle lagern sich an Feldspat-Partikeln deutlich effektiver an als an anderen Stoffen. Dadurch werden diese Partikel zu idealen Kristallisationskernen, an denen Wassermoleküle haften und gefrieren, wodurch Wolken entstehen.

Die Fähigkeit des Feldspats, Wasser so wirksam zu binden und Wolkenbildung zu fördern, war lange unklar. Forschungen an der Technischen Universität Wien mit einem hochsensitiven Rasterkraftmikroskop enthüllten nun die Ursache: Die besondere Geometrie der Feldspat-Oberfläche bietet ideale Ankerpunkte für OH-Gruppen, die aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, und begünstigt dadurch die Anlagerung weiterer Wassermoleküle.

Blick durchs Rasterkraftmikroskop

„Es gab mehrere Ideen, warum Feldspat ein derart effektiver Nuklationskeim ist“, sagt Prof. Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien, die das Projekt leitete. „Es könnte an Kalium-Atomen liegen, die im Feldspat enthalten sind, oder etwa auch an bestimmten Defekten seiner Struktur.“

Zur Untersuchung dieser Fragestellung nutzte man ein Rasterkraftmikroskop. Hierbei tastet eine feine Spitze die Oberfläche des Kristalls punktweise ab. Anhand der zwischen Spitze und Kristallprobe auftretenden Kraft lassen sich Rückschlüsse auf die dort vorhandenen Atome ziehen. Dies ermöglicht die Erstellung eines Bildes mit atomarer Auflösung.

„Wir brachten also ein Stück Feldspat in die Vakuumkammer des Mikroskops ein und spalteten es in zwei Hälften, um eine unversehrte, saubere Feldspat-Oberfläche zu bekommen“, sagt Giada Franceschi, die Erstautorin der aktuellen Arbeit. „Dabei erlebten wir eine Überraschung: Die Bilder der Oberfläche sahen völlig anders aus, als gängige Theorien das vorhergesagt hatten.“

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Winzige Wassereinschlüsse lassen die Wolken gefrieren

Beim Aufbrechen des Steins setzt sich Wasserdampf an der neuen Oberfläche ab. Die Wassermoleküle spalten sich in OH-Gruppen auf, wodurch unter dem Mikroskop nicht die eigentliche Feldspat-Oberfläche, sondern eine Hydroxylschicht sichtbar wird, erklärt Giada Franceschi. Dieser Effekt tritt auch in der Natur auf.

Die spezifische Anordnung der Hydroxylgruppen auf dem Feldspatkristall ermöglicht es Wassermolekülen, sich effektiv anzulagern, ähnlich wie Klemmbausteine. Diese Hydroxylschicht schafft eine starke Verbindung zwischen Feldspat und Wasser, das sich als Eis ansammelt. Ulrike Diebold betont, dass diese Bindung leicht und stabil ist und nur durch starke Erhitzung gelöst werden kann. Computersimulationen bestätigen diese Erkenntnisse.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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