Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt

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Feldspatpartikel wirken in der Atmosphäre als Gefrierkeime, die in Wolken Eiskristalle wachsen lassen und Niederschläge ermöglichen. Warum das so ist, haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am University College London (UCL) nun über elektronenmikroskopische Beobachtungen und molekulardynamische Computermodellierungen aufgeklärt: Als eigentlicher Eiskeim dient eine quasi versteckte Kristallfläche des Feldspats, die nur an Oberflächendefekten zutage tritt. Ihre für das Verständnis der Wolken- und Niederschlagsbildung wesentlichen Erkenntnisse präsentieren die Forscher im Magazin Science. 

Rund 90 Prozent der Niederschläge über den Kontinenten hängen davon ab, dass sich in Wolken Eiskristalle bilden, die durch ihr zunehmendes Gewicht nach unten fallen. Aber das Wasser in den Wolken gefriert nur dann, wenn bestimmte Partikel vorhanden sind, an denen Eiskristalle wachsen können. Von allen Aerosolpartikeln, das heißt festen Schwebeteilchen in der Atmosphäre, sind allerdings nur wenige als Gefrierkeime wirksam. Diese seltenen Aerosolpartikeln bestimmen den Niederschlag auf der Erde entscheidend mit – umso wichtiger ist es zu verstehen, was sie gegenüber anderen Partikeln auszeichnet. „Mit einem solchen Verständnis ließe sich besser vorhersagen, wie Eis- und Niederschlagsbildung in Wolken sich in Zukunft durch Klimawandel und Feinstaubbelastung verändern werden“, sagt Professor Thomas Leisner, Leiter des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Aerosolforschung (IMK-AAF) des KIT.

Eiskristalle auf einem Feldspatkristallit unter dem Elektronenmikroskop. Obwohl sie auf verschiedenen Ebenen des Feldspats wachsen, sind sie zueinander ausgerichtet. (Abbildung: Alexei Kiselev und Dagmar Gerthsen/KIT)
Eiskristalle auf einem Feldspatkristallit unter dem Elektronenmikroskop. Obwohl sie auf verschiedenen Ebenen des Feldspats wachsen, sind sie zueinander ausgerichtet.
(Abbildung: Alexei Kiselev und Dagmar Gerthsen/KIT)

Wissenschaftlern des IMK-AAF ist es nun gemeinsam mit Forschern des Laboratoriums für Elektronenmikroskopie (LEM) des KIT sowie des University College London (UCL) gelungen, diese Frage für die wichtigste Klasse der anorganischen atmosphärischen Gefrierkeime zu klären, nämlich für Staubpartikel aus dem Mineral Feldspat. Wie sie im Magazin Science berichten, kombinierten die Wissenschaftler elektronenmikroskopische Beobachtungen und molekulardynamische Computermodellierungen, um erstmals die atomare Natur dieses wichtigen anorganischen Gefrierkeims zu ermitteln. Sie zeigten, dass das Eis auf den Feldspatkristalliten nicht auf den von außen zugänglichen Kristallflächen zu wachsen beginnt, sondern an mikroskopischen Defekten wie Stufen, Rissen und Vertiefungen. Obwohl diese Defekte zufällig über den gesamten Kristallit verteilt auftreten, zeigen alle Eiskristalle exakt die gleiche Orientierung in Bezug auf das Feldspat-Kristallgitter.

Aus dieser Beobachtung und aus umfangreichen Computersimulationen auf der molekularen Ebene leiteten die Wissenschaftler ab, dass eine ganz bestimmte Kristallfläche, die nur an Defekten auf der Oberfläche des Feldspat-Kristallits zugänglich wird, als eigentlicher Keim für das Eiswachstum dient. „Feldspat ist einer der aktivsten atmosphärischen Gefrierkeime, aber der Grund dafür war unklar“, erklärt Professor Angelos Michaelides vom UCL. „Nun, da wir den aktiven Ort der Eisnukleation identifiziert haben, ist ein wichtiger Stein im Puzzle gefunden.” Die Forscher erwarten nun, dass ähnliche Untersuchungen die Eigenschaften weiterer Mineralien, die als Gefrierkeime wirken, aufklären können.

🔸Veröffentlichung🔸

Alexei Kiselev, Felix Bachmann, Philipp Pedevilla, Stephen J. Cox, Angelos Michaelides, Dagmar Gerthsen and Thomas Leisner: Active sites in heterogeneous ice nucleation – the example of K-rich feldspars. Science, 2016. DOI: 10.1126/science.aai8034

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.