Forscher der Goethe-Universität und der TU Darmstadt analysieren in der DFG-Forschergruppe INUIT jahreszeitliche und geographische Unterschiede von Eiskeimen – ein Beitrag zum besseren Verständnis von Veränderungen des Erdklimas.

Das Panorama ist bombastisch. Wie eine Arche, gestrandet in einem Meer aus Eis und Schnee, liegt die Forschungsstation auf der felsigen Spitze des Jungfraujoch. Das Dach Europas in der Schweiz, fast 3.500 Meter hoch, 100 bis 200 Tage im Jahr von kalten Wolken umhüllt. Für Meteorologen, Wetter-, Wolken- und Klimaforscher das Paradies, „ein reizvoller Standort mit einmaligen Bedingungen“, schwärmt Professor Martin Ebert vom Institut für Angewandte Geowissenschaften an der Technischen Universität Darmstadt. Wissenschaftler aus der ganzen Welt treffen sich auf dem Gipfel, auch Martin Ebert war schon mehrfach dort. Meist, um Proben zu nehmen. Mit einem Stahlrohr, einer Art Staubsauger, holt er dann die Partikel aus der Luft ins Labor, die er für seine Arbeit daheim in Darmstadt braucht.

Der 45-Jährige ist eigentlich promovierter Chemiker, hat an der TU studiert und kam über die Materialwissenschaften im Jahr 2000 an das Institut für Geowissenschaften in der Darmstädter Schnittspahnstraße. Eine Erfahrung in Interdisziplinarität, die ihm heute für das INUIT-Projekt sehr nützlich ist. Ebert arbeitet zusammen mit seinem Kollegen, dem TU-Professor Stephan Weinbruch, und dem Meteorologen Dr. Heinz Bingemer von der Goethe-Universität Frankfurt an einem der neun Teilprojekte der Eiskeim-Forschungsgruppe.

Viel Feldarbeit

Martin Ebert und Konrad Kandler bei der Voranalyse der Eiskeimproben. Foto: Chris Hartung

Martin Ebert und Konrad Kandler bei der Voranalyse der Eiskeimproben. Foto: Chris Hartung

Die Darmstädter und Frankfurter Forscher wollen die jahreszeitlichen und geographischen Unterschiede bei der Konzentration, Zusammensetzung und den Quellen von Eiskeimen bestimmen. Das bedeutet viel Feldarbeit beispielsweise auf besagtem Jungfraujoch in der Schweiz, aber auch auf dem Kleinen Feldberg im Taunus, in luftigen Höhen oder ganz nah am Boden. Dafür nehmen sie jeweils Proben von einigen hundert Litern Luft und analysieren im Labor, wie viele der darin enthaltenen winzigen Staubpartikel – Aerosole – später auf dem Objektträger die Eiskristalle gebildet haben, die als Niederschlag die Wolke verlassen.

Die Frankfurter Kollegen haben einen Eiskeimzähler mit Namen FRIDGE entwickelt, der die Aerosolpartikel einsammelt. Mit Spezialkamera und Elektronen-Mikroskopie können an der TU die chemische Zusammensetzung, die toxische oder auch die Strahleneigenschaften der Partikel bestimmt werden. Welche Partikel lösen die Eisbildung aus? „Bis auf wenige Mikrometer genau können wir die Stelle in der Frankfurter Probe anpeilen, wo Eiskristalle entstanden sind“, sagt Ebert. Bodenstaub- Partikel (Silikate) haben große Bedeutung, „das haben wir bereits herausgefunden“, verrät der TU-Professor. Vor allem sind es bestimmte Tonminerale und Feldspäte. „Wir kommen Schritt für Schritt näher“, so Ebert. Obwohl die Ergebnisse von Feldversuchen oftmals stark divergieren können. „Scharfe, präzise Ergebnisse sind schwer zu bekommen“, sagt der Geowissenschaftler.

Proben aus dem Eismeer

Weitere Proben kommen demnächst ins Labor. Immer dann, wenn beispielsweise das Forschungsschiff „Polarstern“ ins Eismeer aufbricht und die Wissenschaftler über den Wellen Aerosole einfangen. Die Goethe-Universität unterhält aber auch eine Kooperation mit einem schwedischen Institut, das am Mount Kenia in Ostafrika in 3.500 Metern Höhe Messungen vornimmt. „Die bringen uns ein bisschen Luft mit“, erzählt Heinz Bingemer. Mit vielleicht ganz anderen Aerosolen darin, als am Jungfraujoch oder dem Kleinen Feldberg.

Internationale Forschergruppe INUIT

Wolken bestimmen maßgeblich den Wasserhaushalt der Erde sowie das Wetter und auch die Klimaforschung. Nicht jede Wolke bringt Regen oder Schnee. Eiskeime spielen bei der Entstehung von Niederschlag die entscheidende Rolle. Diese speziellen Aerosole, winzige Staubpartikel in der Luft, ermöglichen erst die Tropfen- und Eisbildung in Wolken. Nur Eispartikel können so groß anwachsen, dass sie schwer genug sind, um aus der Wolke als Regen, Graupel, Hagel oder Schnee herauszufallen.

Die internationale Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Reseach Unit) untersucht Aerosole und den komplexen Vorgang der Eisbildung in der Atmosphäre. Gefördert wird das Projekt nunmehr zum zweiten Mal für drei Jahre mit rund drei Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG). An den neun Teilprojekten sind rund 50 deutsche und ein israelischer Forscher in Labor- und Feldversuchen beteiligt, darunter Meteorologen, Physiker, Biologen, Chemiker oder auch Geowissenschaftler.

Partner sind die die Goethe-Universität Frankfurt, die TU Darmstadt, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, das Max-Planck-Institut für Chemie Mainz, das Institut für Troposphären-Forschung Leipzig, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Bielefeld und das Weizmann-Institut für Wissenschaften nahe Tel Aviv in Israel.

Joachim Curtius. Foto: Dettmar

Joachim Curtius. Foto: Dettmar

Joachim Curtius (46), ist Sprecher des INUIT-Projekts (Ice Nuclei Research Unit), seit 2007 Professor für Experimentelle Atmosphärenforschung am Institut für Atmosphäre und Umwelt an der Goethe-Universität Frankfurt.

„Die Bildung von Eis an der Oberfläche von sogenannten Eiskeimen spielt sich täglich in den Wolken über uns am Himmel ab. Aber es ist ein äußerst komplexes wissenschaftliches Thema, denn es gibt sehr unterschiedliche Eiskeime, zum Beispiel bestimmte biologische Proteine, Mineralstaubpartikel aus Feldspat oder besonders poröse Substanzen. Chemiker, Physiker, Mineralogen, Biologen und Atmosphärenforscher müssen daher sehr eng zusammen arbeiten, um die Prozesse zu verstehen, die bei der Kristallbildung ablaufen und die verschiedenen Typen von Eiskeimen zu charakterisieren.“

„In der Forschergruppe INUIT wird die Expertise zum Thema „Eiskeime“ sehr effizient gebündelt. Durch das Projekt ergibt sich ein schneller  Wissensaustausch und eine hervorragende Zusammenarbeit der Gruppen von den verschiedenen Universitäten und Forschungsinstituten. So können sehr komplexe Messungen realisiert werden, bei denen mehrere Gruppen mit ihren Spezialgeräten gemeinsame Messungen durchführen. Eine derartige Fokussierung der Aktivitäten zum Thema Eiskeime in der Atmosphäre ist weltweit einmalig.“

„In der Forschergruppe INUIT werden Prozessuntersuchungen im Labor, Beobachtungen in der Atmosphäre unter realen Bedingungen sowie Modellrechnungen vorgenommen. Diese verschiedenen Bereiche kooperieren eng miteinander und ergänzen sich optimal. So werden viele Synergien  gehoben.“

[Autorin: Astrid Ludwig]