During the measuring campaign, the surface film on the Atlantic Ocean off the Cape Verde Islands is collected with the catamaran "MarParCat", which was built by the Leibniz Centre for Tropical Marine Research (ZMT). | Photo: Manuela van Pinxteren, TROPOS

05.10.17 | Bis Mitte Oktober werden Forscherinnen und Forscher auf den Kapverdischen Inseln den Weg von organischen Partikeln aus dem Meer in die Atmosphäre untersuchen, um mehr über deren Wirkung auf Wolken und Klima zu erfahren. Dazu werden täglich Proben aus dem Meer und der Luft genommen und mit einem Laborexperiment vor Ort verglichen. Die Untersuchungen sind die zentrale Feldkampagne des Projektes MarParCloud, in dem die Leibniz-Institute für Troposphären- (TROPOS) und für Ostseeforschung (IOW), sowie das Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) mit den Universitäten Oldenburg und Hamburg zusammenarbeiten. Weiterhin sind Forscher von den Institutionen IRCELYON und ICARE aus Frankreich sowie chinesische Forscher der Fudan- und Shandong-Universität bei der Messkampagne vor Ort.  Ziel der Kooperation ist es, die gesamte Prozesskette des organischen Materials zu erforschen: Von der biologischen Primärproduktion im Ozean, über den Transfer in die Atmosphäre, bis hin zur Wirkung auf die Wolkenbildung. Gefördert werden die Untersuchungen im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs von der Leibniz-Gemeinschaft sowie von der Europäischen Kommission im Rahmen des EU-Projektes MARSU (MARine atmosphheric Science Unravelled).

Die Oberfläche des Ozeans ist mit 362 Millionen Quadratkilometern eine der größten und wichtigsten Schnittstellen unseres Planeten. Sonnenlicht, Wärme, Nährstoffe oder auch Schadstoffe gelangen durch sie hinab ins Meer. Umgekehrt gibt das Meerwasser auch Energie, Gase und Partikel an die Luft darüber ab. Getrennt werden diese beiden Sphären von einem hauchdünnen Oberflächenfilm. Auch wenn die Meere und Ozeane rund 71 Prozent der Erde bedecken und eine wichtige Rolle für Wetter und Klima spielen, sind beim Oberflächenfilm noch viele Frage offen. Antworten erhofft sich die Klimaforschung auch von Untersuchungen, wie sie aktuell auf der Kapverden-Insel São Vicente laufen. São Vicente liegt etwa 600 Kilometer vor der Westküste Afrikas in der Passatwindzone des Atlantiks. Mit den Passatwinden werden auch jedes Jahr Millionen Tonnen Staub aus der Sahara westwärts transportiert. Um diesen zu untersuchen wurde das Cape Verde Atmospheric Observatory (CVAO) auf einer Klippe oberhalb des Meeres ins Leben gerufen. Seit zehn Jahren misst TROPOS dort den Staub mit Filterproben, die später in Leipzig analysiert werden.

„Während in den Wintermonaten der Wind aus Richtung Sahara kommt, können wir im Spätsommer auch vermehrt Aerosolpartikel marinen Ursprungs untersuchen“ berichtet die Kampagnenleiterin Dr. Manuela van Pinxteren vom TROPOS. „Es ist also die perfekte Zeit, um Prozesse, die sich direkt zwischen Meer und Atmosphäre abspielen, genauer unter die Lupe zu nehmen. Weiterhin bildet sich in diesen Monaten oft eine stabile Wolke am Monte Verde, dem höchsten Berg der Insel. "Wir haben Partikel- und Wolkenwassersammler auf dem Berg installiert, um zu überprüfen, welche Stoffe aus dem Meer bis in die Wolken wandern“, so van Pinxteren aus der Abteilung „Chemie der Atmosphäre“. Neben den Filterproben und Wolkenwasserproben zur chemischen Analyse der Partikel in der Luft kommen jetzt auf São Vicente weitere umfangreichen Messungen dazu: täglich fährt das Team mit einem Boot heraus, um Proben aus dem Ozean zu nehmen. Das Wasser wandert per Flasche später ins Labor. Um den Oberflächenfilm einzufangen, wurde bisher eine dünne Glasplatte ins Wasser getaucht und langsam wieder herausgezogen. Der mikrometerdicke Oberflächenfilm haftet an der Glasoberfläche, wird mit einem Teflonwischer abgestreift und eingefroren, um chemische Umwandlungsprozesse anzuhalten. Auf verschiedenen Polarstern-Expeditionen hat sich diese Technik bereits bewährt. Auf dieser Kampagne wird der Oberflächenfilm aber nicht per Hand, sondern mit einem eigens dafür vom ZMT angefertigten Katamaran gesammelt. Somit können größere Mengen der hauchdünnen Schicht in kurzer Zeit gewonnen werden, die dann für die vielfältigen Analysen zur Verfügung stehen. Nach erfolgreichen Tests vor der deutschen Küste wird der Katamaran jetzt erstmals im tropischen Atlantik zum Einsatz kommen.

Für die möglichen Auswirkungen von Partikeln aus dem Meer auf die Bildung und Eigenschaften von Wolken interessieren sich Forscherinnen und Forscher der Abteilung „Aerosol- und Wolkenmikrophysik“ des TROPOS. Hierzu wurden auf  São Vicente Instrumente zur Erfassung und Charakterisierung von Aerosolpartikeln, sowie Wolken- und Eiskeimen installiert. Eiskeime sind Partikel, die die Bildung und das Gefrieren von Wolkentropfen hervorrufen können. Das Team betreibt zwei identische Instrumentensätze an der Küste (am CVAO) und über 700 Meter höher auf dem Monte Verde, die bereits erste Ergebnisse liefern. Ferner wird eine Mischung aus Fesselballon und Drachen eingesetzt, um über die Messung von Windgeschwindigkeiten, Temperaturen und Luftfeuchten den Zustand der Atmosphäre zu untersuchen. „Wir haben bereits klare Indizien dafür gefunden, das hier vor Ort eine Verbindung zwischen den Eigenschaften der Aerosolpartikel, Wolken- und Eiskeimen auf Meereshöhe und auf Wolkenniveau besteht“, sagt Dr. Frank Stratmann, Leiter der Abteilung der „Aerosol- und Wolkenmikrophysik“, und fährt fort: „Damit ist eine der Grundvoraussetzung für mögliche Einflüsse von Partikeln aus dem Oberflächenfilm auf Wolken erfüllt, ein Beweis ist dies allerdings noch nicht!“

Exotisch für die Atmosphärenforschung ist ein rund ein Kubikmeter großer Wassertank, in dem frisches Meerwasser gepumpt und brechende Wellen simuliert werden. Die Eigenschaften und Inhaltsstoffe der Aerosolpartikel aus dem Tank werden direkt mit denen der Partikeln in der Außenluft verglichen, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede festzustellen. Somit können Prozesse in der marinen Atmosphäre mit denen in kleinem Maßstab unter kontrollierten Bedingungen verglichen werden. Tests hatte das Team dazu vorher bereits in der Meerwasserversuchsanlage des ZMT in Bremen und in den Seewasserbecken der Universität Oldenburg durchgeführt.

Auch die französischen und chinesischen Forscherkollegen bringen ihre wissenschaftlichen Geräte auf die tropische Insel mit. Sie werden unter anderem mit einer kleinen Laborkammer untersuchen, ob gasförmige Substanzen aus dem Oberflächenfilm messbar kleine Aerosolpartikel bilden. Weiterhin werden sie mit einem sogenannten „LOPAP“ kontinuierlich in-situ-Messungen von salpetriger Säure in der Gasphase durchführen. LOPAP (LOng-Path AbsorPtion) ist eine sehr empfindliche Technik zur Messung von salpetriger Säure (HONO), die bei chemischen Reaktionen in der Atmosphäre eine wichtige Rolle spielt.

Bis Mitte Oktober will das Team von MarParCloud nun vor Ort möglichst viele Daten sammeln, um die ablaufenden Prozesse besser zu verstehen, und sie später in Modellen möglichst realistisch abzubilden. Ihr Ziel ist ein Prozessmodell, das vielleicht später auch in die globalen Klimamodelle einfließen und diese dadurch verbessern könnte. Die Messungen auf den Kapverden sollen daher helfen, die Rolle des Ozeans für unser Klima besser zu verstehen – weit über das Wissenschaftsjahr 2016*17 „Meere und Ozeane“ hinaus. Tilo Arnhold

 Weitere Infos:

Leibniz Project MarParCloud (Marine Biological Production, Organic Aerosol Particles and Maritime Clouds: A Process Chain)

Leipzig as Centre of Cloud Research