Antarctica plays a crucial role in the Earth’s climate system by reflecting solar radiation back into space. The large white ice surfaces and clouds play a decisive role in this process. However, how clouds actually form in Antarctica, how they interact with the atmosphere and what role aerosols play in this process has not been sufficiently researched to date. Engaging in the SANAT flight campaign, the Alfred Wegener Institute, the Leibniz Institute for Tropospheric Research and the Max Planck Institute for Chemistry aim to help close this knowledge gap. The flight-based aerosol measurements conducted in Antarctica are the first of their kind in 20 years and also the first to extend deep into the interior.
Gemeinsame Pressemitteilung vom Alfred-Wegener-Institut, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung und Max-Planck-Institut für Chemie
Wolken entstehen, wenn Wasserdampf an winzigen Partikeln in der Atmosphäre kondensiert, den sogenannten Aerosolen. Das können Teilchen aus Meersalz, Staub, Ruß oder anderen Materialien sein, an denen sich Wassertröpfchen oder Eiskristalle bilden. In der Atmosphäre über der Antarktis gibt es allerdings deutlich weniger Aerosole als in den meisten anderen Regionen der Erde. Wenn sich ihre Häufigkeit und Zusammensetzung verändert, kann das dementsprechend großen Einfluss auf die Wolkenbildung haben und damit auch auf die Fähigkeit des Planeten, Sonnenstrahlen in den Weltraum zu reflektieren.
Wie genau Aerosole und Wolken in der Antarktis miteinander wechselwirken, ist bisher jedoch noch nicht vollständig verstanden. „Um diese Wissenslücke zu schließen, untersuchen wir, aus welchen natürlichen und anthropogenen Quellen Aerosole stammen, unter welchen Bedingungen sich neue Partikel bilden und wie sich ihre Eigenschaften verändern, wenn sie in unterschiedlichen Höhen der Atmosphäre schweben oder über Ozeanen, Schelfeis und dem antarktischen Kontinent transportiert werden“, sagt Dr. Zsófia Jurányi vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI).
Gemeinsam mit Dr. Frank Stratmann vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) und Prof. Stephan Borrmann vom Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC) leitet die AWI-Physikerin die Flugkampagne SANAT (Spatial distribution of ANtarctic Aerosol and Trace gases), mit der das Konsortium die wichtigsten Quellen und Transportwege von Aerosolen in der antarktischen Atmosphäre untersucht. „Vor allem geht es uns um die Partikel, die als Kondensationskerne oder Eiskeime wirken, da diese letztendlich dazu führen, dass und wie sich Flüssigphasen-, Mischphasen- oder Eiswolken bilden.“
Erste Messungen über dem antarktischen Plateau mit neusten Geräten
Hierfür hat das SANAT-Team mit dem AWI-Forschungsflugzeug Polar 6 im Januar und Februar umfangreiche Daten gesammelt. Unter den herausfordernden antarktischen Bedingungen sind Forschenden zehn Messflüge geflogen, von der deutschen Neumayer-Station III bis zum südlichen 80. Breitengrad. „Die letzten vergleichbaren Messungen fanden vor 20 Jahren statt und die Kampagne damals konzentrierte sich nur auf die räumliche Verteilung von Aerosolen im antarktischen Küstenbereich“, sagt Dr. Frank Stratmann vom TROPOS. „Wir haben nun erstmalig Aerosole weit im Süden über dem antarktischen Plateau vermessen und dies mit in Teilen neu entwickelten Techniken und Methoden.“
Eines dieser Instrumente ist der „T-Bird“: Die Schleppsonde wird an einem 60 Meter langen Kabel hinter dem Flugzeug hergezogen und sammelt eigenständig Daten. Zusammen mit den gleichzeitigen Messungen an Bord der Polar 6 und bodengestützten Messungen an der Neumayer-Station III konnten die Forschenden umfassende Informationen sammeln, über die Häufigkeit, kleinskalige Transportvorgänge und die chemische Zusammensetzung von Aerosolen in der Atmosphäre, sowie über meteorologische Größen wie Luftdruck, Temperatur oder Wasserdampfgehalt. Auf ihren Flügen konnten sie umfangreiche Daten sammeln, die sie nun in den nächsten Monaten auswerten wollen. Eine erste Einschätzung zeigt bereits etwas Überraschendes: „Im Landesinneren haben wir eine unerwartet hohe Aerosolkonzentration und interessante chemische Zusammensetzungen beobachtet“, sagt Prof. Stephan Borrmann vom MPIC.
„Die Antarktis und ihre Umgebung sind entscheidende Komponenten des globalen Erd- und Klimasystems, die zum einen auf den Klimawandel und seine Auswirkungen reagieren und sie gleichzeitig beeinflussen“, sagt Zsófia Jurányi. „Mit diesen einzigartigen Daten hilft unsere Kampagne nicht nur, Wettervorhersagen und Klimasimulationen zu verbessern. Wir tragen auch dazu bei, die Wechselwirkung von Wolken mit Aerosolen besser zu verstehen und ihren Einfluss auf das zukünftige Klima abzuschätzen.“
Über die Polar 6
Die Polar 6 ist eins von zwei Polarflugzeugen mit denen das AWI atmosphärische Prozesse, Meereis, Schnee und andere geologische und glaziologische Strukturen der Erde untersucht. Das fliegende Forschungslabor ist speziell ausgerüstet für wissenschaftliche Expeditionen in Arktis und Antarktis. Seit 2007 sind die beiden Basler BT-67 Polar 5 und Polar 6 rund um die Welt im Einsatz. Die Messinstrumente im Inneren und an der Außenseite der Maschinen werden für jede Mission neu zusammengestellt und ausgerichtet. So können die AWI-Polarflieger Gebiete erkunden, die sonst nur schwer zugänglich sind.
Wolkenforschung an der Neumayer-Station III
Die jetzigen Flugzeugmessungen bauen auf früheren DFG-Projekten mit bodennahen Direktmessungen und bodengestützter Fernerkundung auf, die erste Einblicke in die Wolkenbildung rund um Neumayer-Station III ermöglichten: Seit 2019 werden Wolkenkondensationskerne (CCN) und Eiskeime (INP) in-situ im Spurenobservatorium gemessen. 2023/24 untersuchte TROPOS ein Jahr lang mit einem eigens in die Antarktis transportierten Container die Wolken über Neumayer III per Lidar und Radar. Beide Projekte trugen dazu bei, das Messprogramm an Neumayer III im Bereich Wolken auszubauen, um mehr über die Besonderheiten antarktischer Wolken zu erfahren.
