Turbulenz sorgt für Eis in Wolken

Vertikale Luftbewegungen erhöhen die Eisbildung in Misch­phasen­wolken. Dieser seit langem theoretisch vorher­gesagte Zusammen­hang konnte jetzt erstmals in der Natur beobachtet werden. Das geht aus Messungen eines Teams des Leibniz-Instituts für Troposphären­forschung, kurz Tropos, hervor. Mit Laser- und Radar­geräten hatten die Forscher die vertikale Luft­geschwin­dig­keit und Eisbildung in dünnen Misch­phasen­wolken gemessen. Solche Wolken enthalten sowohl Eispartikel, Wasser­dampf als auch unter­kühlte Flüssigkeits­tröpfchen. Die Ergebnisse der Messungen könnten helfen, mit der Eisbildung in Wolken künftig einen wichtigen Teil des Wasser­kreis­laufs besser in den Wetter- und Klima­modellen abzubilden.

Die Bildung von Eis in Wolken ist ein Kernelement des Wasser­kreis­laufs auf der Erde. In dem komplexen Zusammen­spiel von Aerosol­partikeln, Luft­bewegung und mikro­physika­lischen Eigen­schaften der Wolken ist es schwierig, den Eisbildungs­prozess zu isolieren, um ihn einzeln unter­suchen zu können. Doch das Verstehen dieser Prozesse im Detail notwendig, um diesen Mechanismus in den Wetter- und Klima­modellen besser abzubilden.

Um andere Prozesse auszuschließen, konzentrierten sich die Forscher auf eine wenig spektakuläre und daher wenig betrachtete Form von Wolken. Sie unter­suchten große Wolken­felder in zwei bis acht Kilometern Höhe, die in ihrer vertikal jedoch nur hundert bis zwei­hundert Meter ausgedehnt waren und mit etwa einem Mikro­gramm pro Kubik­meter extrem wenig Eis enthielten. Dadurch lässt sich sowohl das Eis mit einem Wolken­radar als auch die vertikale Luft­bewegung mit einem Doppler-Lidar erfassen, da der Laser­strahl die dünnen Wolken noch gut durch­dringen kann. Beide Instrumente waren also nötig, um die Turbulenz und die Eisbildung in diesen Wolken über Leipzig vom Boden aus unter­suchen zu können.

„Der Effekt wurde erst sichtbar, als wir das Eis direkt an der Wolken­unter­kante betrachtet haben. Dadurch gelang es uns, erstmals den Zusammen­hang zwischen Turbulenz und Eisbildung vor Ort in der Atmosphäre nach­zuweisen. Je stärker eine Wolke also durch­ge­schüttelt wird, desto mehr Eis fällt aus ihr heraus“, berichtet Johannes Bühl vom Tropos. Dieser Zusammen­hang wurde für Wolken gemessen, die kälter als minus zwölf Grad Celsius sind. Als nächstes wollen die Wissen­schaftler den Einfluss der Aerosole näher erkunden, indem sie den Anfang – die Eis­nukleation – und das Ende –   den Nieder­schlag von Eispartikeln – des Eisbildungs­prozesses näher unter die Lupe nehmen.

Die Eisbildung in Wolken ist ein wichtiger Prozess in der Atmosphäre, denn ohne dieses Eis würde aus den Wolken in den mittleren Breiten der Erde praktisch kein Nieder­schlag fallen. So weit­reichend diese Vorgänge auch sind, viele Details davon sind bisher nicht ausreichend verstanden und werden daher in den Wetter- und Klima­modellen nicht berück­sichtigt. Entsprechend ist die Nieder­schlags­vorher­sage mitunter deutlich häufiger mit Fehlern behaftet als die Vorher­sagen für die Temperaturen.

Tropos / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  J. Brühl et al.: Impact of vertical air motions on ice formation rate in mixed-phase cloud layers, Climate Atm. Sc. 2, 36 (2019); DOI: 10.1038/s41612-019-0092-6
• AG Bodengebundene Fernerkundung, Abt. Fernerkundung atmosphärischer Prozesse, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung, Leipzig