Geburtshelfer für Wolken

Das Phytoplankton des Südpolarmeeres ist maßgeblich für saisonale Schwankungen bei der Wolkenbildung verantwortlich. Die Kleinstlebewesen produzieren Aerosole, die zur Wolkenbildung anregen. Vor allem im Sommer. Hinzukommt, dass die Wolken dichter und weißer werden und mehr Sonnenlicht reflektieren. Bestehende Klimamodelle müssen nun hinsichtlich dieses Faktors „Pflanze“ angepasst und ergänzt werden.

Obwohl ihr Name übersetzt „umherirrend“ bedeutet und sie das erste Glied in der Nahrungskette des Meeres bilden, werden sie dennoch als „Superorganismen“ gehandelt. Und das nicht, weil sie biologisch gesehen Pflanze, Protist und Bakterium sind, sondern weil sie großen Einfluss auf das Ökosystem Meer und das Klima haben. Dass ihr Einfluss sogar bis in die Atmosphäre reicht, hat nun ein Forscherteam herausgefunden: Im Südpolarmeer trägt das Phytoplankton maßgeblich zur Wolkenbildung bei, insbesondere im Sommer. Hinzukommt, dass die Sommerwolken weißer sind. Nicht unerheblich in Zeiten des Klimawandels und steigender Temperaturen, da weißere Wolken bekanntlich Sonnenstrahlen besser reflektieren als dunkle, die Erde also kühlen.

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Das Eldorado für Wolkenforscher

Das Südpolarmeer rund um die Antarktis ist der zweitkleinste Ozean, zugleich aber die wolkenreichste Region der Erde. Vielleicht ist dies ja der Grund, warum das Gebiet – immerhin die doppelte Fläche der USA – von Menschen weitgehend unberührt ist. Das dortige Ökosystem ist daher aber das Eldorado für Wolkenforscher wie Daniel McCoy.

Der Schlüssel sind die Aerosole

Die Forscher konnten mit einer aktuellen Studie nachweisen, dass die Kleinstlebewesen atmosphärische Schwebstoffe produzieren: sogenannte Aerosole: Ein Gemisch aus Gas, in der Regel Sauerstoff, und winzigen festen und/oder flüssigen Partikeln, die in der Atmosphäre zirkulieren. Für die Wolkenbildung sind sie die Startsequenz. Als Kondensations- oder Gefrierkerne übernehmen sie die Rolle des Geburtshelfers bei der Entstehung von Wolken. Damit dies gelingt, müssen die Kleinstpartikel in die Tropo- oder Stratosphäre aufsteigen. In luftiger Höhe beginnen Wassermoleküle, an den Aerosolpartikeln zu kondensieren und sich anzulagern (Nukleation). Erste Wolkentröpfchen entstehen und beginnen, zu riesigen Wolkenformationen zu wachsen.

Wolken aus Dimethyl-Sulfat und organischen Materialien

Die Kleinstlebewesen produzieren zwei Formen von Aerosolen. Zum einen handelt es sich um die nanometerkleinen Überreste ihrer selbst und von ihnen produzierte organische Materialien und Abfälle, die in der Gischt beim Wellengang vom Wind erfasst und empor getragen werden. Zum anderen um das Gas Dimethyl-Sulfat (DMS), welches im Zuge ihres Stoffwechsels entsteht, in der Atmosphäre zu Schwefelsäure (H₂SO₄) oxidiert, dort als Säure Wassermoleküle anzieht und so ebenfalls zur Wolkenbildung anregt.

Chlorophyll als Beweismittel

Dass die Forscher das Phytoplankton überhaupt als Urheber identifizieren konnten, haben sie nicht einer flächendeckenden Probennahme im Südpolarmeer zu verdanken, sondern speziellen Satellitenkarten der NASA, auf denen das blaugrüne Photosynthese-Pigment  Chlorophyll a mit Hilfe eines Spektralradiometers sichtbar gemacht werden konnte. Jener Farbstoff, der das Phytoplankton zur Photosynthese, zur Energiegewinnung und zum Aufbau von Biomasse befähigt. Deutlich zu sehen war, dass die Werte im Sommer in die Höhe schossen, die Karten im Blaugrün erstrahlten.

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Sonne lässt Plankton blühen

Der Grund für die Planktonblüte liegt auf der Hand: die Sonne. Sie kurbelt im Sommer die Photosyntheseaktivität des Phytoplanktons an und somit auch deren Stoffwechsel. In der Folge produzieren die kleinen Meeresbewohner nicht nur mehr Dimethyl-Gas, sondern auch organische Materialien und Abfälle, die dann als Aerosole in die Atmosphäre aufsteigen. Hinzu kommt, dass unter dem Einfluss des Sonnenlichts zudem die Oxidation des Gases zu Schwefelsäure verstärkt wird.

Sommerwolken reflektieren mehr Sonnenlicht

Das Ergebnis: Die Zahl der Wolken steigt rapide an, um bis zu 60%. Doch nicht nur das.  Die Wolken über dem Südpolarmeer reflektieren im Sommer bedeutend mehr Sonnenlicht als sie es ohne die zu dieser Zeit boomende Planktonblüte tun würden. „Die Konzentration von Wolkentröpfchen verdoppelt sich im Sommer durch den Einfluss des Planktons“, schreiben die Forscher in ihrer Studie. „Dies hat damit zu tun, dass dort, wo viel Phytoplankton im Wasser vorhanden ist, mehr Aerosole aufsteigen und somit auch mehr Kondensationskerne zur Verfügung stehen.“

Schützt Phytoplankton Arktis-Eis vor Sonnenlicht?

In Zeiten des Klimawandels kommt diesem Effekt, Albedo genannt, besondere Bedeutung zu. Gerade über dem Südpolarmeer setzen steigende Temperaturen dem arktischen Eis immer stärker zu. Abhilfe bzw. Abkühlung in jeglicher Art ist da willkommen. Aber auch im globalen Maßstab dürfte der Einfluss des Phytoplanktons nicht unerheblich sein.

Klimamodelle müssen ergänzt werden

Zwar gilt nach wie vor, dass die wichtigste und konstanteste Aerosolquelle  des Südpolarmeeres Meersalze sind, jedoch sind die saisonalen Schwankungen hingegen nur mit Verweis auf die Aktivität des Phytoplanktons zu erklären. Mit ihren Erkenntnissen schließen die Forscher nicht nur eine Wissenslücke, sondern helfen auch, Klimaszenarien und -modelle zu verbessern. Lange Zeit wurden Aerosole und ihr Einfluss auf die Wolkenbildung, aber auch die Sonneneinstrahlung ungeachtet ihrer Entstehung, Eigenschaften und Wirkung in einen Topf geworfen. Egal ob natürlichen Ursprungs oder vom Menschen verursacht.

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Zur Begründung: Erst seit etwa einem Jahrzehnt sind die technischen Möglichkeiten überhaupt vorhanden, ein differenzierteres Bild zu zeichnen, um die Ursachen und Wirkungen eingehend zu erforschen. Gemeint sind vor allem leistungsstarke Computer und neue Satelliteninstrumente. Dennoch ist hin und wieder auch von mangelndem Interesse in den Jahren zuvor die Rede.

Das größte DNA-Sequezierungsprojekt der Ozeanologie

McCoy und sein Team befinden sich somit auf der Höhe der Zeit, in der das Ökosystem Ozean, vor allem aber die Kleinstlebewesen verstärkt in den Fokus der Wissenschaft rücken: Die Rede ist von nicht weniger als dem größten DNA-Sequenzierungsprojekt, das die Ozeanologie je gesehen hat, wie kürzlich im Fachmagazin Science vorgestellt wurde.

Eric Karsenti, Leiter der „Tara“ Ozean-Expedition, die zwischen 2009 und 2013 unzählige Proben für das groß angelegte Projekt aus dem Meer fischte, bringt auf den Punkt, was ihn, seine Mitstreiter und die Wolkenforscher bewegt: „Dieses Abenteuer zeigt den Menschen auf der ganzen Welt, welchen Beitrag die Ozeane zu unserem Wohlbefinden leisten.“

Gleichzeitig zeigen sie auf, wie komplex und verwoben die Systeme sind. Damit die Kleinstpartikel in die Atmosphäre gelangen können und zur Wolkenbildung führen, sind Winde und Strömungen nötig. Diese werden wiederum selbst durch Wolken beeinflusst.