Im internationalen Großexperiment CLOUD am CERN in Genf wird im Labor untersucht, wie sich Aerosolpartikel aus reaktiven Gasen unter atmosphärischen Bedingungen bilden und wachsen. Die CLOUD-Kammer erlaubt es, Keimbildungs- und Wachstumsraten von Schwebeteilchen aus genau kontrollierten Dampfgemischen bei extrem niedrigen, atmosphärenrelevanten Konzentrationen zu messen. Auch der Einfluss von Ionen kosmischer Strahlung wird dabei untersucht. Für diese Messungen hat die Forschungsgruppe um Armin Hansel am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik in enger Zusammenarbeit mit dem Innsbrucker Spin-Off-Unternehmen Ionicon Analytik GmbH spezielle Messverfahren entwickelt, die in Echtzeit Resultate mit extrem hoher Nachweisempfindlichkeit liefern und die Gruppe zu einem internationalen Pionier im Feld der Spurenanalytik gemacht haben.
Rätsel um Aerosolpartikel über dem Südpolarmeer
Globale Klimamodelle unterschätzen die Konzentration von Wolkenkondensationskernen über dem Südpolarmeer um mehr als 50 Prozent – ein Fehler, der zu einer systematischen Überschätzung der Erwärmung in der klimatisch wichtigen Antarktisregion führt. Zugleich wird in der oberen Troposphäre über dem Atlantik und dem Pazifik weitverbreitete Neubildung von Partikeln beobachtet, deren Ursprung bisher ungeklärt blieb.
Einen entscheidenden Hinweis liefert nun die Biologie des Meeres: Marines Phytoplankton gibt Dimethylsulfid ab, das rund 20 Prozent des atmosphärischen Schwefels ausmacht. Bei der Oxidation in der Atmosphäre entstehen sowohl Schwefelsäure als auch Methansulfonsäure in vergleichbaren Konzentrationen. Während die Rolle der Schwefelsäure bei der Partikelbildung gut erforscht ist, blieb jene der Methansulfonsäure lange unklar.
Rolle der Methansulfonsäure geklärt
In den neuen CLOUD-Experimenten untersuchte das internationale Forschungsteam die Neubildung von Partikeln aus Methansulfonsäure sowie aus Schwefelsäure-Methansulfonsäure-Gemischen in Gegenwart von Ammoniak. Die Ergebnisse sind bemerkenswert: Methansulfonsäure ist unterhalb von −10 °C in Gegenwart von Ammoniak genauso wirksam bei der Partikelkeimbildung wie Schwefelsäure. Zudem mischen sich beide Säuren und nukleieren synergistisch. Darüber hinaus treibt Methansulfonsäure unterhalb von +10 °C rasches Partikelwachstum an – selbst bei nahezu vollständiger Abwesenheit von Ammoniak –, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass neu gebildete Partikel jene Größe erreichen, ab der sie als Wolkenkondensationskerne wirken können.
Da Methansulfonsäure und Schwefelsäure in kühlen Meeresregionen generell in ähnlichen Konzentrationen auftreten, deuten die Befunde darauf hin, dass die Partikelkeimbildungsraten im Vergleich zu reinen Schwefelsäure-Ammoniak-Systemen um bis zum Zehnfachen und die Wachstumsraten um bis zum Zweifachen beschleunigt werden können. Globale Modellsimulationen bestätigen: Methansulfonsäure ist ein bedeutender Treiber biogener Wolkenkondensationskeime in kühlen, unberührten Meeresregionen, wird in aktuellen Klimamodellen jedoch nicht berücksichtigt.
Konsequenzen für Klimamodelle und Klimasensitivität
Die neuen Befunde haben weitreichende Folgen für das Verständnis des Klimas. Rein biogene Quellen haben in der vorindustriellen Atmosphäre offenbar mehr Wolkenkondensationskerne produziert als bisher angenommen. Eine höhere vorindustrielle Konzentration bedeutet aber, dass der durch menschengemachte Aerosole verursachte Strahlungsantrieb möglicherweise geringer ist als bislang geschätzt. Dies hat Auswirkungen auf Berechnungen der Klimasensitivität und Erwärmungsprognosen für dieses Jahrhundert.
Zusammen mit früheren CLOUD-Befunden zur isoprengetriebenen Partikelbildung in der oberen Troposphäre über tropischen Regenwäldern zeichnet sich ein neues Bild ab: Die Biosphäre könnte wirksamer als bisher gedacht in der Lage sein, den Rückgang anthropogener Aerosole infolge von Emissionskontrollen teilweise zu kompensieren und die damit verbundene Zusatzerwärmung abzufedern.
Publikation: Role of methanesulfonic acid in atmospheric particle nucleation and growth. Baalbaki, R., Shen, J., et al. Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10810-2