Im Zentrum der Osthalle des europäischen Kernforschungszentrums in Genf steht, umgeben von unzähligen Kabeln, Schläuchen und Messgeräten, das Herzstück des Cloud-Experiments: eine Kammer aus Stahl, in der die Entstehung von Aerosolen in der Erdatmosphäre unter präzise kontrollierten Bedingungen simuliert werden kann. „Das Cern hat eine fantastische technische Infrastruktur, die zu 99,9 Prozent für den Bau von Beschleunigern und Teilchenphysik genutzt wird“, sagt Jasper Kirkby zur Begrüßung und lacht. „Mit den übrigen 0,1 Prozent werden aber wirklich interessante Dinge gemacht.“

Das Cloud-Experiment ist ein Exot am Cern: Hier wird Klimaforschung betrieben.
Foto: Cern/Brice

Das Cloud-Projekt ist Kirkbys wichtigste wissenschaftliche Errungenschaft. In den 1990er-Jahren hatte der britische Physiker die Idee für das Experiment, seit der Inbetriebnahme 2009 ist er dessen Leiter. Cloud steht für Cosmics Leaving Outdoor Droplets und untersucht, ob und auf welche Weise kosmische Strahlung, Luftverschmutzung und andere Faktoren Aerosole und die Entstehung von Wolken beeinflussen. Diese haben einen kühlenden Effekt auf das Klima, da sie Sonnenlicht abblocken oder reflektieren.

Wie wichtig präzise Messdaten dazu für die Klimaforschung sind, steht außer Frage: Die enorme Schwankungsbreite von Prognosen für das Ausmaß der künftigen Erderwärmung beruht zu einem erheblichen Teil darauf, dass diese Prozesse in der Erdatmosphäre bisher nicht ausreichend verstanden werden.

Enorme Unsicherheit

Eine Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter ist noch im Lauf dieses Jahrhunderts zu erwarten. Bisher ist die Durchschnittstemperatur um rund ein Grad Celsius gestiegen, die Prognosen für die Erwärmung bei der CO2-Verdoppelung sind aber alles andere als präzise: Sie reichen von bestenfalls 1,5 Grad Celsius bis zu katastrophalen 4,5 Grad.

Die genauen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt sind dementsprechend schwer einzuschätzen. „Diese enorme Unsicherheit hat sich trotz aller Fortschritte der Klimaforschung in den vergangenen 30 Jahren leider nicht verringert“, sagt Kirkby. „Und es hat sich herausgestellt: Das liegt vor allem an den Aerosolen.“

Wie bewölkt war es im vorindustriellen Zeitalter?

Denn manche Aerosole, etwa aus Ruß, sorgen für eine zusätzliche Erwärmung. Andere, die auch durch menschliche Aktivitäten in großem Ausmaß entstehen, sind hingegen an der Entstehung von Wolken beteiligt und haben gewissermaßen einen kühlenden Effekt. Wir verursachen durch unsere Emissionen also einerseits eine Klimaerwärmung, verstärken andererseits aber auch Prozesse, die diese etwas abmildern.

Und genau darin liegt die Wurzel der prognostischen Unsicherheit, sagt Kirkby. Denn die Zusammenhänge zwischen CO2-Ausstoß und dem Klimasystem seien sehr gut erforscht, aus antarktischen Eisbohrkernen wisse man genau, wie viele Treibhausgase über die Jahrhunderte in die Atmosphäre gelangt sind. „Aber wir wissen nicht, wie bewölkt es im vorindustriellen Zeitalter war und in welchem Ausmaß atmosphärische Aerosole und die Wolkenbildung zugenommen haben.“

Wolken sind für das Klimasystem unseres Planeten von enormer Bedeutung. Forscher simulieren ihre Entstehung, um Klimamodelle zu verbessern.
Foto: Getty Images

Wichtige Wolkendecke

Für präzisere Klimamodelle ist die Frage daher zentral, wie stark wir die Wolkenbedeckung seit Beginn der Industrialisierung beeinflusst haben. Klar ist, dass wir Menschen in dieser Hinsicht kräftig mitmischen: Bei der Verbrennung fossiler Energieträger wird nicht nur CO2 freigesetzt, es gelangen auch Schadstoffe in die Atmosphäre, die einen Einfluss auf die Wolkenbildung haben – etwa Schwefeldioxid. Zwischen 80 und 90 Prozent des Schwefeldioxids in der Atmosphäre stammen aus menschlichen Aktivitäten. Daraus entsteht unter Sonneneinstrahlung Schwefelsäure, die durch Bindungen mit anderen Stoffen Aerosolpartikel bildet. Diese Partikel sind wiederum als sogenannte Kondensationskeime die Geburtshelfer von Wolken.

Lange Zeit dachten Forscher, dass der atmosphärischen Schwefelsäure eine klare Hauptrolle in der Wolkenbildung zukommt. Das hieße, dass der Himmel heute weitaus bewölkter sein müsste als noch vor 300 Jahren, als die Schwefelsäurekonzentration in der Atmosphäre nur ein Zehntel betrug. Ein Irrtum, wie Kirkby und Kollegen mithilfe des Cloud-Experiments herausfanden: Sie entdeckten, dass auch Ausdünstungen von Bäumen effektive Wolkenkeime bilden – ganz ohne Schwefelsäure.

Emittierende Bäume

Diese sogenannten Monoterpene werden vor allem von Nadelbäumen emittiert, große Wälder helfen sich damit selbst, indem sie für mehr Wolken und Regen sorgen. Das bedeutet aber auch: Die menschengemachte Wolkenkühlung ist wohl geringer als gedacht, denn die weitaus größeren Waldflächen vor Beginn der Industrialisierung könnten für eine vergleichbare Bewölkung gesorgt haben wie heute unsere Abgase.

Diese Erkenntnis macht das schlimmste Erwärmungsszenario unwahrscheinlicher, so Kirkby: „Je bewölkter es im vorindustriellen Zeitalter war, desto weniger extrem dürfte die Erderwärmung in diesem Jahrhundert ausfallen. Aber das ist nur ein Aspekt im Klimasystem, unsere Forschung ist noch lange nicht zu Ende.“ Neue Ergebnisse des Cloud-Experiments sollen demnächst veröffentlicht werden.

Neben der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sind unter anderem die Technische Universität Wien und die Universitäten Wien, Innsbruck und Linz an Experimenten am Cern beteiligt. (David Rennert, 01.12.2019)