Fünf Wochen Klimaforschung in der Arktis

Polarexpedition zur Erforschung arktischer Wolken erfolgreich beendet

26. Mai 2014

Ein Team von Atmosphärenwissenschaftlern der Universitäten Leipzig, Mainz und Clermont-Ferrand (Frankreich) sowie des Forschungszentrums Jülich, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) ist vor wenigen Tagen von einer Polarexpedition aus Nord-Kanada zurückgekehrt. Um neue Erkenntnisse über das arktische Klima zu gewinnen, verbrachten die Forscher mehr als fünf Wochen bei Minustemperaturen und Schneefall in der Kanadischen Arktis. Dort diente Inuvik, die 200 Kilometer nördlich des Polarkreises am Mackenzie-Delta gelegene Kleinstadt, als Basis der internationalen Messkampagne RACEPAC (Radiation-Aerosol-Cloud Experiment in the Arctic Circle).  

Federführend für die Koordination der Messungen war das Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) unter Leitung von Prof. Dr. Manfred Wendisch. Mit zwei Forschungsflugzeugen des AWI sowie kontinuierlichen Messungen einer Bodenstation versuchten die Wissenschaftler, dem Phänomen der „Arctic Amplification“, dem verstärkten Klimawandel in der Arktis, auf den Grund zu gehen.

„Der globale Klimawandel zeigt sich in der Arktis mit überdurchschnittlich hohen Temperaturen und einem drastischen Rückgang der Meereisbedeckung noch deutlicher als anderswo auf der Welt“, sagt Dr. André Ehrlich vom LIM, der die wissenschaftlichen Arbeiten vor Ort hauptsächlich koordiniert hat. Während in der globalen Mitteltemperatur ein Anstieg von knapp einem Grad Celsius seit Beginn des 20. Jahrhunderts beobachtet wurde, liegt die Temperaturänderung nördlich des 67. Breitengrades im Bereich von zwei bis drei Grad Celsius. Wie die Forscher erklären, sind Wolken dabei ein entscheidender, aber bei Weitem noch nicht ausreichend gut verstandener Parameter des komplexen Klimasystems. Durch den hellen Untergrund und aufgrund der niedrigen Sonne wirken tiefe Wolken in der Arktis im Gegensatz zu ihren mitteleuropäischen Artgenossen im Mittel erwärmend. Diese Besonderheiten sowie der komplexe Aufbau der arktischen Wolken, die sowohl Eiskristalle als auch flüssige Wassertropfen enthalten können, sind besonders interessant für die Wissenschaftler. 

Die beiden Forschungsflugzeuge Polar 5 und 6 wurden mit einer Vielzahl hochmoderner Messgeräte ausgestattet, um arktische Wolken und deren Wirkung im arktischen Klimasystem möglichst genau zu charakterisieren. Neben Geräten zur Vermessung der Eiskristalle und Tröpfchen in den Wolken sowie der Aerosolpartikel inner- und außerhalb der Wolkenbereiche sind auch zahlreiche Fernerkundungsinstrumente an Bord. Diese lassen Aussagen über die Strahlungseigenschaften und die damit verbundene erwärmende Wirkung der Wolken zu. Mit den beiden ausgerüsteten Flugzeugen wurden in den vergangenen Wochen jeweils 15 Messflüge von drei bis vier Stunden Dauer über der Beaufortsee unternommen und viele hochwertige Messdaten gewonnen.  

Die Abteilung für Partikelchemie des Max-Planck-Instituts für Chemie instrumentierte in Zusammenarbeit mit dem Institut für Physik der Atmosphäre der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die Polar 6 mit drei am Flügel hängenden Messsonden sowie einem Massenspektrometer, das im Flugzeug selbst eingebaut wurde. Mithilfe dieses Massenspektrometers wurde die chemische Zusammensetzung der Aerosolpartikel in der Umgebung der Wolken gemessen, um die Prozesse der Wolkenentstehung genauer zu untersuchen. Zum ersten Mal wurde auch die in Mainz entwickelte, auf einem holografischen Prinzip beruhende optische Messsonde „HALOHOLO“ auf einem Forschungsflugzeug eingesetzt. Mithilfe dieser Sonde gelangen während der Messflüge holografische Aufnahmen von einzelnen Eiskristallen und Schneeflocken im Inneren der Wolken von weltweit bisher unerreichter Qualität. Diese Aufnahmen sind für die Berechnung der Strahlungseigenschaften der Wolken von großer Bedeutung. Die Konzentrationen der Spurengase wie Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) wurden von der Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Peter Hoor vom Institut für Physik der Atmosphäre der JGU gemessen. Diese Daten sind wichtig für die Analyse der Transportwege der Luft, um im Nachhinein feststellen zu können, woher die von den Flugzeugen beprobten Luftmassen ursprünglich kamen.

Das Einmalige an den Messungen von RACEPAC ist, dass beide Forschungsflugzeuge so koordiniert werden, dass die Strahlungseigenschaften und der Aufbau der Wolken gleichzeitig vermessen werden. „Mit dieser Strategie wollen wir die verschiedenen Messgrößen besser verknüpfen, um die gewonnenen Ergebnisse künftig einfacher in Wetter- und Klimamodelle einbinden zu können“, erläutert Physiker Dr. Andreas Herber, der am Alfred-Wegener-Institut die Flugkampagnen zur Atmosphärenforschung koordiniert.

Zu den Flügen kommen weitere Daten von einer Bodenstation, die nahe der Küste zum Arktischen Ozean in Tuktoyaktuk stationiert war und die in einem besonderen Container des Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie – unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung e.V. (TROPOS) sowie des KIT – betrieben wurde. „Mit diesen Messungen soll unter anderem herausgefunden werden, wie die bodennahe Luft zur lokalen Wolkenbildung beiträgt“, erklärt der leitende Wissenschaftler Univ.-Prof. Dr. Stephan Borrmann von der JGU und dem Max-Planck-Institut für Chemie. Auch hierbei komme der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Aerosolteilchen mithilfe eines weiteren Massenspektrometers besondere Bedeutung zu. Denn diese Messungen dokumentieren die gegenwärtigen Verhältnisse, bevor die anthropogenen Veränderungen, die mit der zunehmenden Öffnung der Nordwestpassage und der wachsenden ökonomischen Entwicklung in der Region einhergehen, weiter voranschreiten.

Weitreichende Schlussfolgerungen aus den Messungen erwarten die Wissenschaftler innerhalb der nächsten zwei Jahre, nachdem die Daten im Detail analysiert wurden. Erste direkte Erkenntnisse zeigen sich jedoch schon jetzt. Als Resümee der Polarexpedition stellen die Forscher fest, dass die Wolken weitaus variabler waren, als es nach den bisherigen Vorstellungen zu erwarten gewesen wäre. So brachte jeder Messflug seine eigenen kleinen Überraschungen mit sich.