Partikelbildung und Partikelwachstum
Für Regen brauchen wir Wolken. Und für Wolken brauchen wir sowohl Wasserdampf als auch Teilchen, an denen dieser Wasserdampf kondensiert. Aber nicht einfach irgendwelche Teilchen. Die Kondensationskeime der Wolken müssen eine bestimmte Größe haben, mindestens etwa 80 Nanometer (nm). Es gibt in der Luft schwebende Partikel, die bereits so groß sind, wie Rußpartikel, oder biologische Partikel wie Pilze und bestimmte Viren (das Coronavirus hat einen Durchmesser von ca. 100 nm). Die meisten Partikel sind jedoch viel kleiner und werden größer, während sie sich in der Atmosphäre befinden. Dieser Prozess wird als „Bildung neuer Teilchen“ bezeichnet. Selbst Gasmoleküle können durch Wachstum Cluster dieser Größe bilden. Studien, die sich mit Aerosolen und Wolkenbildung befassen, legen sogar nahe, dass die Bildung neuer Partikel die wichtigste Quelle für Partikel sein könnte, die zur Wolkenbildung beitragen, insbesondere im zentralen Amazonasgebiet.
Dieses Partikelwachstum findet jedoch nicht kontinuierlich über die Zeit statt, sondern eher in bestimmten Zeitabschnitten und unter bestimmten Bedingungen. Wie diese Prozesse im Einzelnen ablaufen, wird derzeit noch erforscht. Dies gilt insbesondere für das Amazonasgebiet, wo die Neubildung von Partikeln innerhalb der planetarischen Grenzschicht (die untersten ≈1-2 km der Atmosphäre) viel seltener zu sein scheint als in anderen Gebieten der Welt. Stattdessen deuten Studien darauf hin, dass die Partikelneubildung weiter oben in der Atmosphäre stattfindet und die Partikel dann mit Abwinden in konvektiven Wolken zu Boden gebracht werden.
Marco A. Franco und seine Kollegen analysierten daher die Aerosolgrößenverteilungeine einer langen Zeitreihe von mehr als sechs Jahren. Darüber hinaus haben sie zahlreiche meteorologische Parameter gemessen, um mögliche Zusammenhänge mit dem Aerosolwachstum zu ermitteln. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse ist wichtig, um vorhersagen zu können, wie sich der Klimawandel auf die Amazonaswälder auswirken könnte, da die Wolkenbildung ein wesentlicher Prozess für den Regen und damit für den Erhalt der Regenwälder ist. Diese Studie wurde mit Daten von ATTO durchgeführt, wo die Atmosphäre vergleichsweise sauber und weitgehend frei von anthropogener Verschmutzung ist.
Wachstum in Zyklen
Das Forscherteam konnte keine neue Partikelbildung an sich, sondern ein Wachstum der Aerosolpartikel feststellen. Diese Partikel wurden jedoch nicht neu gebildet, sondern waren bereits gealtert und auf eine mittlere Größe zwischen 10 und 50 nm angewachsen. Die anschließenden Wachstumsereignisse traten im Durchschnitt nur einmal pro Woche auf, d. h. an 14 Prozent der analysierten Tage. Allerdings geschah dies keineswegs gleichmäßig. Stattdessen fanden die Wissenschaftler ausgeprägte tägliche und saisonale Zyklen. Marco A. Franco und seine Kollegen stellten in ihren Daten fest, dass die meisten Partikelbildungsereignisse in den Morgenstunden stattfanden. Der Höhepunkt gegen 7 Uhr morgens unterstreicht die Rolle des Sonnenlichts und der sich im Laufe des Tages ändernden atmosphärischen Bedingungen. Bemerkenswerterweise konnten die Forscher aber auch Partikelwachstum in der Nacht feststellen. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Mechanismen zu verstehen, die dieses Wachstum antreiben.
Sie entdeckten auch, dass die große Mehrheit der Partikelwachstumsereignisse während der Regenzeit stattfand. In diesen Monaten sind Gewitter sehr häufig und stehen in Verbindung mit Abwinden aus höheren Luftschichten, was von Machado et al. (2021) bestätigt wurde. Und in der Tat fanden fast drei Viertel der Partikelbildungsereignisse in der Gegenwart von Gewitterwolken statt. Dies stimmt mit früheren Theorien überein, wonach diese Abwinde mittelgroße Partikel mit sich bringen, die dann weiter zu einer für die Wolkenbildung relevanten Größe anwachsen.
Etwa 30 % der Ereignisse fanden jedoch ohne Konvektion statt. Für etwa ein Drittel der Partikelbildungsereignisse muss es also eine andere Quelle für Partikel geben als Abwinde aus höheren atmosphärischen Schichten. Um diese Quellen und Prozesse aufzudecken, sind weitere Studien erforderlich, da sie wesentlich zum Partikelwachstum und damit zur Wolkenbildung im Amazonasregenwald beitragen.
Marco A. Franco und seine Co-Autoren veröffentlichten die Studie “Occurrence and growth of sub-50nm aerosol particles in the Amazonian boundary layer” Open Access im Magazin Atmospheric Chemistry and Physics.
Similar articles
Von Buschfeuern in Afrika gelangen in manchen Zeiten mehr Rußpartikel in den zentralen Amazonasregenwald als von regionalen Bränden.
Es ist seit langem bekannt, dass Aerosole direkt und indirekt Wolken und Niederschlag beeinflussen. Aber nur sehr wenige Studien haben sich auf das Gegenteil konzentriert: die Frage, wie Wolken die Eigenschaften von Aerosolen verändern. Deshalb haben Luiz Machado und seine Kollegen diesen Prozess an ATTO untersucht. Konkret untersuchten sie, wie Wetterereignisse die Größenverteilung von Aerosolpartikeln beeinflussen.
Der Amazonas-Regenwald spielt eine wichtige Rolle im globalen Wasserkreislauf. Biogene Aerosole wie Pollen, Pilze und Sporen beeinflussen wahrscheinlich die Bildung von Wolken und Niederschlägen. Es gibt jedoch viele verschiedene Arten von Bioaerosolen. Die Partikel unterscheiden sich erheblich in Größe, Morphologie, Mischungszustand und Verhalten wie Hygroskopizität (wie stark die Partikel Wasser anziehen) und Stoffwechselaktivität. Daher ist es wahrscheinlich, dass nicht nur die Menge der Bioaerosole den Wasserkreislauf beeinflusst, sondern auch die Arten der vorhandenen Aerosole.
Bioaerosole können als Wolkenkondensations- und Eiskerne wirken und damit die Bildung von Wolken und Niederschlägen beeinflussen. Bislang gibt es jedoch nur wenige Erkenntnisse über die Eiskernbildungsaktivität der einzelnen Bioaerosolgruppen, und atmosphärische Modelle haben bisher nicht zwischen ihnen unterschieden. Patade et al. erstellten eine neue empirische Parametrisierung für fünf Gruppen von Bioaerosolen, die auf der Analyse der Eigenschaften von Bioaerosolen an ATTO basiert: Pilzsporen, Bakterien, Pollen, pflanzlicher/tierischer/viraler Detritus und Algen. Dies ermöglicht es für jedes Wolkenmodell, die Rolle einer einzelnen Gruppe von Bioaerosolen bei der Veränderung der Wolkeneigenschaften und der Niederschlagsbildung zu erfassen.
Der Großteil des globalen Niederschlags wird durch den Prozess der Eisnukleation gebildet, aber wir haben noch große Wissenslücken, was die Verteilung, die jahreszeitlichen Schwankungen und die Quellen der eisnukleierenden Partikel betrifft. Um einige dieser Wissenslücken zu schließen, erstellten Jann Schrod und seine Co-Autoren eine Aufzeichnung von Langzeitmessungen von INPs. Sie sammelten fast zwei Jahre lang Daten an vier verschiedenen Standorten. Einer dieser Standorte war ATTO.
Ramsay et al. haben anorganische Spurengase wie Ammoniak und Salpetersäure sowie Aerosole in der Trockenzeit an ATTO gemessen. Sie sollen als Basiswerte für deren Konzentration und Flüsse in der Atmosphäre dienen und sind ein erster Schritt zur Entschlüsselung der Austauschprozesse von anorganischen Spurengasen zwischen dem Amazonas-Regenwald und der Atmosphäre.
Ruß und andere Aerosole aus der Verbrennung von Biomasse können das regionale und globale Wetter und Klima beeinflussen. Lixia Liu und ihre Kollegen untersuchten, wie sich dies auf das Amazonasbecken während der Trockenzeit auswirkt. Obwohl es viele verschiedene Wechselwirkungen zwischen Aerosolen aus der Biomasseverbrennung und dem Klima gibt, fanden sie heraus, dass sie insgesamt zu weniger und schwächeren Regenereignissen im Amazonasregenwald führen.
Felipe Souza und Co-Autoren sammelten nun Bioaerosole an ATTO. Dann extrahierten und analysierten sie die DNA, um die vorhandenen Gemeinschaften zu bestimmen. Dies ist die erste Studie, die die Gemeinschaft der Mikroorganismen in Aerosolen im Amazonasgebiet beschreibt. Sie fanden viele verschiedene Arten von Bakterien und Pilzen. Einige waren kosmopolitische Arten, die auf der ganzen Welt zu finden sind. Aber sie identifizierten auch viele, die für bestimmte Umgebungen wie Boden oder Wasser spezifisch sind. Dies deutet darauf hin, dass die Atmosphäre als wichtiges Mittel für den Bakterienaustausch zwischen Pflanzen, Boden und Wasser dienen kann.
Mira Pöhlker und ihr Team haben am 80-Meter-Turm an ATTO kontinuierlich Aerosole und deren Eigenschaften in der Atmosphäre gemessen und damit die erste derartige Langzeitaufzeichnung im Amazonasgebiet geschaffen. Sie analysierten die Daten in zwei aufeinander folgenden Publikationen. Die zweite wurde nun in ACP veröffentlicht.