Studien zu Vulkanasche könnten die Klimamodellierung stärken
Während die Eisbildung einen großen Einfluss auf die Eigenschaften und die Lebensdauer von Wolken hat, bleibt sie einer der am wenigsten verstandenen Prozesse, die sich indirekt auf das Erdklima auswirken. Wassertropfen in der Atmosphäre können bei bis zu -37 °C flüssig bleiben, bevor sie einfrieren. In Gegenwart von Schwebeteilchen, die eiskeimbildende Partikel genannt werden, können unterkühlte Wassertröpfchen bei wärmeren Temperaturen zwischen -37 °C und 0 °C gefrieren. „Es ist unbedingt erforderlich, ein besseres Verständnis des Verhaltens dieser Schwebeteilchen für die genaue Darstellung der Eisbildung in Computermodellen zu bekommen“, erklärt Elena Maters, die mit Unterstützung im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich finanziert wurde. „Das ist wiederum wichtig für ein besseres Verständnis der Atmosphären- und Klimasysteme.“ Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass der vom Wind getragene Wüstenstaub einer der wichtigsten eiskeimbildenden Partikeltypen ist. Während die Forschung über die Auswirkungen von Vulkanasche auf die Eisbildung in den letzten Jahren zugenommen hat, liefern einige Feld- und Laborstudien widersprüchliche Beweise. „Es ist nicht klar, was die großen Unterschiede in der Eiskeimbildungsaktivität von Asche antreibt“, sagt Maters, derzeit Stipendiatin des Förderprogramms für Berufsanfänger von Leverhulme in Cambridge. „Es könnte mit der chemischen Zusammensetzung, Kristallinität oder Mineralogie der festen Partikel zusammenhängen. Bisher wurde das jedoch nicht systematisch untersucht.“
Verhalten von Asche
Das übergeordnete Ziel des von der Universität Leeds im Vereinigten Königreich koordinierten Projekts INoVA war, ein Verständnis dafür zu entwickeln, welche Faktoren die Eiskeimbildungsaktivität von Vulkanasche bestimmen. Es wurde unter anderem untersucht, ob die Wechselwirkung von Asche mit Gasen und Kondensaten in der Vulkanausbruchswolke und Atmosphäre die Eiskeimbildungsaktivität beeinflussen könnte. „Dafür wurden verschiedene Techniken angewendet, um pulverförmige Proben zu erzeugen und zu behandeln, ihre Eigenschaften zu analysieren und die Eiskeimbildung zu messen“, bemerkt Maters. Experimente mit einer Reihe von Asche- und Glasproben ermöglichten es Maters, den Einfluss der chemischen Zusammensetzung und Mineralogie auf die Eiskeimbildungsaktivität zu trennen. „Außerdem wurden Laborsimulationen von eruptiven und atmosphärischen Prozessen durchgeführt“, fügt sie hinzu. „Dadurch konnten wir Änderungen in der Eiskeimbildungsaktivität aufgrund thermischer und chemischer Veränderungen untersuchen, wie sie beim Transport von Asche durch die Vulkanausbruchswolke und Atmosphäre auftreten.“
Genaue Klimamodelle
Ein wichtiges Ergebnis des Projekts war, dass die Eiskeimbildung besser mit Asche als mit Glas funktioniert. Das deutet darauf hin, dass kristalline Komponenten eine wichtige Rolle spielen. „Die eisaktivsten Proben enthielten Alkalifeldspat, Plagioklasfeldspat und Pyroxenmineralien. Daher vermuten wir, dass der Ausbruch von felsischem bis intermediärem Magma zu eisaktiver Asche führen kann“, sagt Maters. Das Projekt kam außerdem zu dem Ergebnis, dass die Eiskeimbildungsaktivität von Asche durch verschiedene Wechselwirkungen zwischen Aschegas und Aschekondensat, beispielsweise mit Wasser, Schwefeldioxid oder Schwefelsäure, verbessert oder verringert werden kann. „Der Anstieg der Eiskeimbildungsaktivität nach Exposition von Asche gegenüber Schwefeldioxid bei hohen Temperaturen war besonders überraschend“, betont Maters. Über Asche gesammelte Informationen, u. a. zu Eiskeimbildungspartikeln, können in meteorologische und klimabezogene Computermodelle integriert werden. Diese liefern Ergebnisse, die für Beratungszentren für Vulkanasche und Meteorologieämter wertvoll sein könnten. Ein Teil der Arbeit von Maters wurde in der Fachzeitschrift „Atmospheric Chemistry and Physics“ veröffentlicht, drei weitere Forschungsarbeiten bereitet sie zurzeit vor. „Andere Vermittlungsaktivitäten, einschließlich einer öffentlichen Diskussion zur Kommunikation über Vulkangefahren, waren wertvolle Gelegenheiten zur Wissensvermittlung“, schließt Maters. „Sobald all diese Arbeiten veröffentlicht sind, werden sie eine Grundlage für neue Erkenntnisse über die Eiskeimbildung von Vulkanasche bieten und den Weg für aufregende zukünftige Arbeiten in diesem Bereich ebnen.“
Schlüsselbegriffe
INoVA, Vulkan, Wetter, Klima, Asche, Eis, Atmosphäre, Erde, Keimbildung, meteorologisch, felsisch, Magma, Eiskeimbildungsaktivität
