Jülich - Heiter bis wolkig: Eiswolken auf der Spur

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Heiter bis wolkig: Eiswolken auf der Spur

Von: Thorsten Karbach
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Die Wolkenforscherin: Martina Krämer ist Meteorologin am Forschungszentrum Jülich. Sie untersucht die Wirkung von Eiswolken auf das Klima. Foto: Andreas Steindl
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Fingerzeig: Die Datensätze, die Martina Krämer und Christian Rolf auswerten, finden viel Beachtung.

Jülich. Himmlisch, so ist Martina Krämers Arbeit. Und das buchstäblich, denn der Blick der Wissenschaftlerin geht zuerst nach oben und dann auf den Bildschirm ihres Rechners. Dr. Martina Krämer ist Meteorologin am Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Stratosphäre (IEK-7). Oder anders ausgedrückt: Sie ist Wolkenforscherin. Das klingt doch auch viel schöner.

Es sind Wolken, präziser Zirren, also Eiswolken, die sie bewegen. Und rund um die Welt haben fliegen lassen – von Brasilien bis zum Baikalsee. Das Ziel liegt dabei nie in der Ferne, sondern in der Höhe, wo beispielsweise der Eisgehalt einer Wolke gemessen wird. Die WB-57, ein Spezialflugzeug der Nasa, hatte ein Messgerät der Jülicher an Bord, als sie in Houston abhob – bis auf 20.000 Meter Höhe. In einem anderen Fall waren die Jülicher Geräte an Bord des ehemaligen sowjetrussischen Spionagefliegers Geophysica – ähnlich hoch. Zum Vergleich: Ein Airbus A380, also das größte Passagierflugzeug der Welt, steigt bis auf maximal 13.100 Meter.

Eiswolken, die bei Lufttemperaturen von minus 40 bis minus 90 Grad Celsius entstehen, sind so hoch am Himmel, dass die Vorstellungskraft kaum ausreicht: Über den Tropen gibt es sie in bis zu 18.000 Metern Höhe, in der Arktis aber auch in 5000 bis 12.000 Metern. Da braucht es so oder so Spezialflugzeuge. Unbedingt braucht es die, um die Forschung voranzubringen. Denn die Eiswolken haben Einfluss auf das Klima. Welchen? Das muss freilich noch geklärt werden. Und Martina Krämer ist dabei.

Der saure Regen

In Mainz hat Krämer Meteorologie studiert. Dort lehrte Hans R. Pruppacher, international gab es keinen Besseren. Es waren die 1980er, eine Zeit, in der Sprühdosen für das Ozonloch verantwortlich gemacht wurden, und der saure Regen erstmals übel aufstieß. Von sogenannten Klimarückkopplungen war die Rede. Das Wetter wollte dem Menschen sein gedankenloses Handeln nicht mehr verzeihen. Und in einer Vorlesung entdeckte Krämer die Wolkenphysik, das sollte ihr großes Thema werden, auch wenn sie ihre Diplomarbeit 1987 dann doch zu saurem Regen schrieb.

Seit 1996 ist sie in Jülich, ihre Arbeitsgruppe heißt „Wasser und Wolken“, ihre Meinung ist weltweit gefragt. Der Weltklimarat IPCC, verantwortlich für den Weltklimabericht, vertraut den Einschätzungen aus dem Forschungszentrum. Dort sind sie als Gutachter dabei. Martin Riese, Direktor des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Bereich Stratosphäre, und damit Krämers Chef, sagt: „Martina Krämer und ihre Arbeitsgruppe haben die Entstehungsmechanismen der eisigen Zirruswolken mit hochgenauen Messgeräten auf Forschungsflugzeugen und im Labor untersucht. Das hat uns wichtige neue Erkenntnisse gebracht. Die gewonnenen Datensätze werden mittlerweile weltweit zur Überprüfung und Verbesserung von Klimamodellen benutzt.“ Kein Wunder. Es sind die weltweit größte seiner Art, den die Jülicher mit Mainzer Kollegen zusammengetragen haben.

Wetter und Wolken fand Martina Krämer schon als kleines Kind spannend. Ihre erste Lieblingssendung im TV war der Wetterbericht. Sie liebte diese animierten Wolken, aus denen es von jetzt auf gleich regnete. Ein Regenschirm wurde ihr schönstes Geburtstagsgeschenk, erzählt sie heiter. Wenn über dem Elternhaus nachts ein Gewitter tobte, dann hat die Mutter die Krämer-Kinder geweckt und sie haben gemeinsam die Sekunden zwischen Blitz und Donner gezählt. Das hat den Kleinen die Angst vor dem Gewitter genommen. Und Martina Krämer steht heute noch am Fenster, wenn es draußen blitzt und donnert.

Die Wolkenforscherin baut auf zwei Instrumente. Mit einem – genannt FISH – misst sie den Wasserdampf außerhalb der Wolken und das Wasser innerhalb der Wolken. Dabei konzentriert sich ihre Forschung auf die reinen Eiswolken, also die Zirren und auf solche Wolken, die aus Wassertröpfchen und Eiskristallen bestehen. Sie nennt sie „unsere Baustellen“. Ihr Team zählt sechs Mitarbeiter.

Das Herz schlägt höher

Reine Regenwolken ignorieren sie. Zumindest im Sinne der Forschung. Als an Pfingsten schlimme Gewitterstürme in der Region tobten, da stand Martina Krämer auch wieder am Fenster. Über ihr schoben sich die Wolken zu Benard-Zellen zusammen. Fast eckig waren sie. „Das sieht man ganz selten so“, sagt Krämer. Deswegen hat sie direkt ein paar Fotos gemacht, so dass sie es sich immer wieder anschauen kann. „Da schlägt das Herz schon höher.“

Doch zurück ins Forschungszentrum Jülich, in einen kühlen Trakt im Souterrain. Mit dem zweiten Messgerät der Wissenschaftler – NIXE-Caps – werden die Wolkenpartikel bestimmt (Wasser oder Eis?) und vermessen. Denn mit Wolken ist das so: Wolken, die aus Eis bestehen, reflektieren die Sonne und nehmen die Abstrahlung der Erde anders auf als flüssige Wolken. Flüssige Wolken wirken kühlend auf die Erde. Das kennt jeder, der auf einer Wiese liegt und sich sonnt. Schiebt sich eine Regenwolke über ihn, wird es auch gleich spürbar kühler. Je eisförmiger eine Wolke dagegen ist, desto weniger kühlt sie. Das ist zumindest die Annahme. Sicherheit darüber besteht nicht, und genau dort setzen die Jülicher an.

Die dafür notwendigen Messgeräte wie die „NIXE-Caps“ arbeiten mit Laserstrahl und Detektoren, können bis zu 0,6 Mikrometer kleine Partikel erfassen, das ist ein Millionstel Meter. Schon diese Messgeräte sind eine Wissenschaft für sich. Das Instrument FISH haben die Jülicher Forscher selbst konstruiert. Doch die Daten, die FISH liefert, sind den Aufwand wert. Das Verständnis der Eiswolken verbessert die Genauigkeit der Klimaprognosen. Denn die Eiswolken sind in diesen globalen Berichten die größte Unbekannte. Aber eine Unübersehbare. Die Jülicher Forscher sammeln dafür Datensätze. Und die machen klar, dass die Berechnungen für die Klimaberichte die Realität bislang nur ungenau abbilden konnten. Nicht weil schlecht oder falsch gerechnet würde. Es gab bislang einfach nicht ausreichend Messungen, um die Berechnungen zu prüfen.

Eiswolken haben Einfluss auf das Klima. Die Frage ist: wie? Martina Krämer ist der Antwort auf der Spur. Auf einer Konferenz wird sie ihre neue Entdeckung jetzt vorstellen. Es geht darum, wie sich reine Eiswolken bilden. Zwei Wege sind bekannt. Ein homogener und ein heterogener. Beim ersten haben die Wolkenpartikel einen flüssigen Kern, beim heterogenen einen festen, also eine Art Staubkorn, das durch die Luft wirbelt. Genauer: Mineralstaub, der immer in der Luft ist. „Ein guter Eisbilder“, sagt Krämer. Als auf Island der Vulkan Eyjafjallajökull 2010 ausbrach und in halb Europa den Luftverkehr lahmlegte, da schauten Krämer und ihr Mitarbeiter Christian Rolf ganz gespannt nach oben: Es hatten sich Zirren gebildet, wo sich eigentlich keine Zirren bilden würden. Die Vulkanasche agierte wie Mineralstaub.

Bislang ging die Forschung davon aus, Eiswolken würden sich homogen bilden. Krämer hat mittels der ihr vorliegenden Messkampagnen das Gegenteil herausgefunden. Maßgeblich ist es Mineralstaub, um den herum sich die Eiswolken bilden. „Das ist ein großer Unterschied“, sagt Krämer. Denn die Einschätzung, Eiswolken hätten global einen wärmenden Effekt, basiert auf der Annahme, sie würden sich homogen bilden. Nun können die bisherigen Berechnungen präzisiert werden.

Drei Messkampagnen

Es sind drei große Messkampagnen, die den Jülicher Forschern in diesem Jahr neue Daten liefern. In Oberpfaffenhofen beim Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum ist das Forschungsflugzeug HALO gestartet, um von dort aus sechs Wochen lang Zirren zu untersuchen. In der kanadischen Arktis wurden Mischphasenwolken angeflogen, um dem Verhältnis von Wasser und Eis auf die Fährte zu kommen und im September startet das HALO-Flugzeug in Brasilien mit Kurs auf konvektive Wolken, also solche, die unten flüssig, in der Mitte gemischt und oben eisig sind. Und dann? Dann wird ausgewertet und gerechnet. Bestimmt zwei Jahre lang. Schließlich gibt es am Ende immer noch diese eine entscheidende Frage: Sind Zirren, also Eiswolken, gut oder schlecht für das Klima? „Das wissen wir noch nicht“, sagt Krämer. Aber sie will es herausfinden.

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