Eiswolken wärmen die Arktis: Zirren und Luftverkehr im Fokus aktueller Forschungsflüge

Wie beeinflussen Zirruswolken das Klima in der Arktis sowie in Nord- und Mitteleuropa?

Pressemeldung des DLR / Ergänzungen Max-Planck-Institut für Chemie

22. Juli 2021

Die Arktis erwärmt sich stärker als andere Regionen der Erde. Kondensstreifen-Zirren haben größere Auswirkungen auf das Klima als CO2. Ein 70-köpfiges Forschungsteam, darunter Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemie und der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, will herausfinden, wie Zirruswolken zur Erwärmung in der Arktis sowie Nord- und Mitteleuropa beitragen. Die Forschenden wollen außerdem wissen, unter welchen Wetterbedingungen sich Zirruswolken vermeiden lassen, und zu welcher Tageszeit sie sich am wenigsten wärmend auswirken. Das Forschungsflugzeug HALO fliegt mit umfangreicher Wolkenmessinstrumentierung von Mitteleuropa bis in die Arktis. Rund 25 Flüge sind geplant.

Das Forschungsflugzeug HALO fliegt mit umfangreicher Wolkenmessinstrumentierung von Mitteleuropa bis in die Arktis. Rund 25 Flüge sind geplant.

Je nach Sonnenstand, Tageszeit und Eigenschaften wirken die dünnen hohen Zirruswolken in der Arktis überwiegend wärmend. Bislang gibt es allerdings kaum direkte Zirren-Messungen in hohen Breiten und Klimamodelle berücksichtigen diese unzureichend. Im Juli 2021 fliegt das deutsche Forschungsflugzeug HALO unter anderem in Richtung Nordeuropa und Arktis. Ziel ist es, den Beitrag der Zirruswolken zur besonders starken Erwärmung dieser Region besser zu verstehen. Zudem nimmt das 70-köpfige Forschungsteam die Effekte des Luftverkehrs im stark beflogenen Mitteleuropa in den Blick. Die Forschenden untersuchen, zu welcher Tageszeit die Kondensstreifen-Zirren möglichst wenig wärmen und ob sie sich in bestimmten Wettersituationen vermeiden lassen.

Dies könnte für eine zukünftige klimafreundliche Flugplanung von enormem Wert sein. Neun Atmosphärenforschungsinstitute und Universitäten sind an der Mission CIRRUS-HL (CIRRUS in High Latitudes) beteiligt. Ausgangspunkt ist der Standort Oberpfaffenhofen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

„Die kalten hohen Eiswolken werden durch anthropogene Schadstoffe und den Luftverkehr verändert. Welche Rolle sie für die verstärkte Erwärmung der Arktis spielen, ist eine bislang ungeklärte Frage“, sagt die wissenschaftliche Koordinatorin der Mission, Prof. Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und der Universität Mainz. „Zudem ist die Reduzierung der Klimawirkung des Luftverkehrs ein sehr aktuelles Forschungsthema. Wegen ihrer relativ kurzen Lebensdauer ist die Verringerung und Vermeidung von Kondensstreifen-Zirren ein vielversprechender Ansatz, um den Luftverkehr klimafreundlich zu gestalten.“

Insgesamt sind rund 25 HALO-Flüge im Rahmen von CIRRUS-HL geplant. „Die Flugrouten verlaufen in acht bis 14 Kilometern Höhe unter anderem bis in die Nähe von Spitzbergen und Grönland, aber auch über Zentraleuropa, Spanien, Skandinavien und Island“, sagt Andreas Minikin von der DLR-Einrichtung Flugexperimente, die für den Betrieb von HALO, einer Gulfstream G550, verantwortlich ist. Das Flugzeug trägt für die Mission eine umfangreiche Messinstrumentierung zur Fernerkundung von Wolken und Kondensstreifen. Beim Flug in die Wolken und Kondensstreifen werden Eispartikel und Wassertropfen hochpräzise durch Wolken-Instrumente an den Flügeln charakterisiert. Ebenso erfassen Instrumente atmosphärische Spurengase und Aerosolpartikel. Die Forschungsflüge werden durch Satellitenbeobachtungen der Eiswolken und Simulationen mit Computermodellen ergänzt.

Kondensstreifen-Zirren

Kondensstreifen und daraus resultierende Eiswolken tragen mehr zum Klimaantrieb durch den Luftverkehr bei als dessen CO2-Emissionen seit Anbeginn der Luftfahrt. Flugzeugtriebwerke stoßen unter anderem Rußpartikel aus. Diese wirken als Kondensationskeime für kleine unterkühlte Wassertropfen, die sofort zu Eiskristallen gefrieren und als Kondensstreifen am Himmel sichtbar werden. Die Eiskristalle der Kondensstreifen können bei feucht-kalten Bedingungen in Höhen von etwa 8 bis 12 Kilometern mehrere Stunden bestehen.

In der aktuellen Mission messen die Forschenden wieviel Wärmestrahlung der Erde von den Kondensstreifen- Zirren in der Atmosphäre gehalten wird und wieviel Sonnenstrahlung sie in den Weltraum zurück reflektieren.
Daraus wollen sie genauer bestimmen, zu welcher Tageszeit die kühlende Wirkung durch Reflektion der Sonnenstrahlung am größten ist. Zudem wollen sie genauer verstehen, bei welchen Wetterbedingungen Kondensstreifen besonders stark auftreten. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass nur eine geringe Anzahl von Flugrouten für etwa 80 Prozent des Klimaantriebs der Kondensstreifen verantwortlich ist. Ziel der HALO-Messungen ist es, die Vorhersage dieser Wettersituationen zu verbessern.  Dies hilft zukünftig klimaschonende Flugrouten zu planen, die entweder die Kondensstreifen-Bildung umgehen oder diese nur zulässt, wenn die kühlende Wirkung überwiegt.

Arktische Zirren

Natürliche Eiswolken entfalten in den hohen Breiten der Arktis durch den flachen Sonnenstand vor allem eine wärmende Wirkung. Die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche wird durch Eiswolken wie von einem wärmenden Schal in der Atmosphäre zurückgehalten. Messungen von Eiswolken in großen Höhen in der wenig bewohnten Arktis sind eine Herausforderung, daher gibt es so wenige experimentelle Daten in dieser Region.

Die Forschenden des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) untersuchen deshalb sowohl die Zusammensetzung als auch die Anzahl und Größe der Vorläuferpartikel der Zirruswolken, also die natürlichen und anthropogenen Kondensationskeime.  Die in den Eiskristallen enthaltenen Partikel werden ebenfalls analysiert. Dafür kommt ein am MPIC entwickeltes Massenspektrometer zum Einsatz, dass die Zusammensetzung einzelner atmosphärischer Partikel analysiert. Für dieses Instrument, das seit 2014 auf dem Flugzeug HALO eingesetzt wird, ist CIRRUS-HL die dritte Mission. Mit den so gewonnenen Daten will das Team die Bildungsprozesse von Zirruswolken und somit deren Klimaeinfluss besser verstehen. „Wir sind gespannt, welche Anzahl, Größe und Formen an Eiskristallen wir in diesen Wolken messen werden“, erklärt Prof. Voigt. „Die Eigenschaften der Eiskristalle haben eine deutliche Auswirkung auf ihren Strahlungsantrieb.“ Während der Mission detektieren die Forschenden einen „Zoo“ an Säulchen, Plättchen und anderer komplexerer Eiskristallformen.

Kleine Eiskristalle - große Klimawirkung

Bereits im Rahmen der Vorgängermission ML-CIRRUS (Mid-Latitude CIRRUS) zeigte sich, dass die Eiskristalle natürlicher Zirruswolken im Mittel mehr als zehnmal so groß sind wie die Eiskristalle in Kondensstreifen-Zirren (2-10 Mikrometer). Dabei ist die Anzahl der Eiskristalle in Kondensstreifen-Zirren deutlich höher und damit auch ihre Klimawirkung gegenüber natürlichen Zirrus-Wolken mit demselben Eiswassergehalt. Nun erwarten die Forschenden auch bei den Partikelformen Unterschiede zwischen Kondensstreifen und natürlichen Zirren.  

CIRRUS-HL: Gemeinsame Mission vieler Forschungsinstitute

Die Finanzierung von CIRRUS-HL erfolgt anteilig durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb des Infrastruktur-Schwerpunktprogramms für HALO (SPP 1294) mit den Universitäten Leipzig, Mainz und München (LMU), das Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie durch das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS). Gezielte Wettervorhersagen werden von der Eidgenössischen Technische Hochschule (ETH) in Zürich entwickelt. Ergebnisse der aktuellen Mission CIRRUS-HL werden 2022 erwartet.

Über HALO
Das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Aircraft) ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. Gefördert wird HALO durch Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Leibniz-Gemeinschaft, des Freistaates Bayern, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Forschungszentrums Jülich und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Zur Redakteursansicht