Winzige Aerosolpartikel könnten tropische konvektive Wolken verstärken, aber Wissenschaftler haben jahrzehntelang darüber debattiert. Aerosole beeinflussen die Bildung und das Wachstum von Wolkentröpfchen, was die Kondensation und die Freisetzung latenter Wärme beeinflussen kann.

Ein vorgeschlagener Prozess, genannt kondensative Aerosol-Konvektionsverstärkung, hängt davon ab, dass Wolken eine sehr hohe Wasserdampfübersättigung entwickeln. Wenn diese Bedingungen auftreten, können zusätzliche Aerosolpartikel neue Tröpfchen bilden. Das kann die Kondensation erhöhen, mehr latente Wärme freisetzen und potenziell die aufsteigende Luft in der Wolke beschleunigen.

Flugzeugmessungen haben im Allgemeinen die hohen Niveaus der quasi-stationären Übersättigung, die für diesen Prozess erforderlich sind, nicht festgestellt. Das bedeutet jedoch nicht, dass solche Bedingungen in der Atmosphäre nie auftreten.

Viele frühere Messungen konzentrierten sich auf Wolkenumgebungen, in denen extreme Übersättigung unwahrscheinlich war. Dazu gehörten relativ verschmutzte Wolken, flache warme Wolken und Wolken, die unterhalb ihrer tieferen konvektiven Regionen beprobt wurden. In größeren Höhen können Tröpfchenkollisionen, Niederschlagsbildung und schnellere Aufwinde die Gesamtoberfläche der Tröpfchen verringern, sodass sich Übersättigung aufbauen kann.

Eine neue Studie, veröffentlicht in Advances in Atmospheric Sciences, untersuchte Flugzeugbeobachtungen, die während der NASA-Kampagne Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment gesammelt wurden. Die Kampagne fand 2019 über den Philippinen und nahe gelegenen tropischen Ozeanen statt.

Forscher aus China, den USA und Israel schätzten die quasi-stationäre Übersättigung mithilfe von Messungen der Aufwindgeschwindigkeiten und der Größenverteilungen der Wolkentröpfchen. Die Methode erfasst das Gleichgewicht zwischen Wasserdampf, der beim Aufsteigen der Luft entsteht, und Wasserdampf, der beim Kondensieren auf Tröpfchen entfernt wird.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass tropische konvektive Wolken Übersättigungsniveaus erreichen können, die weit höher sind als die in früheren Flugzeugstudien mit vergleichbaren Methoden aufgezeichneten.

Die Übersättigung nahm zu, je höher die Flugzeuge die Wolken beprobten, und erreichte etwa 10 % bei ungefähr −5 °C. Bei dieser Temperatur bestanden die Aufwindregionen noch hauptsächlich aus unterkühlten flüssigen Tröpfchen.

Die geschätzte Übersättigung stieg bei kälteren Temperaturen weiter an. Allerdings begann sich in diesen Regionen Eis zu bilden, was Schätzungen, die nur auf der flüssigen Phase basieren, unsicherer machte.

Eine kürzlich veröffentlichte Begleitstudie liefert zusätzliche Unterstützung für die Ergebnisse. Forscher, die Daten der ESCAPE-Flugzeugkampagne über der Küste von Texas und Louisiana verwendeten, entdeckten unabhängig voneinander seltene, aber extreme quasi-stationäre Übersättigung von etwa 11 % in tiefen konvektiven Aufwinden.

Zusammen deuten die Studien darauf hin, dass hohe Wasserdampfübersättigung in den Wolkenumgebungen auftritt, in denen kondensative Aerosol-Konvektionsverstärkung am wahrscheinlichsten ist.

Die größten zuverlässigen Werte wurden in starken Aufwinden mit relativ niedrigen Tröpfchenkonzentrationen gefunden. Wenn Wolken mehr Tröpfchen enthielten, vergrößerte sich ihre kombinierte Oberfläche. Mehr Dampf kondensierte dann auf diesen Tröpfchen, was die geschätzte Übersättigung verringerte.

Die Beobachtungen beweisen nicht, dass Aerosole die beprobten Wolken verstärkt haben. Stattdessen zeigen sie, dass die atmosphärischen Bedingungen, die für kondensative Aerosol-Verstärkung erforderlich sind, sich in echten tropischen konvektiven Wolken entwickeln können.

Hohe Übersättigung wirkt als "Treibstoff", den zusätzliche feine oder ultrafeine Aerosolpartikel nutzen könnten, um mehr Tröpfchen zu bilden. Diese Tröpfchen könnten die Kondensation erhöhen, zusätzliche latente Wärme freisetzen und potenziell die Aufwinde der Wolke verstärken.

Das zentrale Ergebnis ist nicht nur, dass extreme Übersättigung existiert. Wissenschaftler müssen auch die richtigen Wolkentypen untersuchen, um sie zu erkennen.

"Frühere Studien untersuchten verschmutzte oder flache Wolken – Typen, die typischerweise nicht die Bedingungen hoher Übersättigung erzeugen, die für kondensative Verstärkung erforderlich sind. Es ist also keine Überraschung, dass sie diesen Mechanismus nicht in Aktion sahen", sagte Daniel Rosenfeld von der Hebräischen Universität Jerusalem und der Universität Wuhan.