Eine Wolke im Teilchenbeschleuniger

Sternengeschichten Folge 711: Das CLOUD-Experiment

In dieser Folge der Sternengeschichten geht es um den Himmel. Es geht um die Wolken, die dort ab und zu zu sehen sind und es geht um den Einfluss ferner Sterne und der nahen Sonne auf die Entstehung dieser Wolken. Das klingt erstmal seltsam, denn wie soll das, was fern der Erde irgendwo im All passiert, dafür sorgen können, dass an unserem Himmel Wolken entstehen? Aber bei genauerer Betrachtung ist die Sache gar nicht mehr seltsam, sondern sehr interessant. Und nicht nur das: Es ist auch höchst relevant, denn ob wir viele oder wenige Wolken am Himmel haben, hat Einfluss auf das Klima der Erde. Der Zusammenhang zwischen Wolken und Weltall ist so wichtig, dass am europäischen Kernforschungszentrum CERN sogar ein eigenes Experiment zur Erforschung dieses Phänomens durchgeführt wurde und genau das ist das Thema dieser Folge der Sternengeschichten.

Wir müssen dafür aber ein bisschen früher anfangen, im Jahr 1912 und mit dem österreichischen Physiker Victor Franz Hess, der damals in einem Ballon aufgestiegen ist, um Messungen der elektrischen Leitfähigkeit in der Atmosphäre durchzuführen. Dabei hat er das entdeckt, was wir heute "kosmische Strahlung" nennen und worüber ich in Folge 317 der Sternengeschichten schon einmal ausführlich gesprochen habe. Kurz zusammengefasst handelt es sich dabei um geladene, hochenergetische Teilchen. Vor allem Protonen, aber zu einem kleinen Teil auch aus Alpha-Teilchen, also Atomkernen von Heliumatomen. Elektronen und ein paar andere Atomkerne sind auch in geringen Mengen dabei und die Quelle all dieser Partikel sind vor allem Sterne. Sie leuchten nicht nur, sondern schleudern auch Teilchen aus ihren äußeren Gasschichten hinaus ins All. Dazu kommen andere astrophysikalische Phänomene wie zum Beispiel Supernova-Explosionen, bei denen ebenfalls jede Menge Teilchen durch die Gegend geschleudert werden. Kurz gesagt: Das All ist voll mit geladenen Teilchen, die kreuz und quer durch die Gegend sausen. Für uns hier auf der Erde können wir die kosmische Strahlung in zwei Komponenten teilen. Da sind einerseits die Teilchen, die von unserer Sonne stammen. Und dann gibt es noch die galaktische kosmische Strahlung, also das, was von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangt.

Im Weltall ist die kosmische Strahlung gefährlich und gesundheitschädlich für uns; am Erdboden schützen uns Magnetfeld und Atmosphäre davor. Aber IN der Atmosphäre kann die kosmische Strahlung durchaus Auswirkungen haben. Wenn die hochenergetischen Teilchen auf die Moleküle der Luft treffen, können diese dadurch aufgespalten und ionisiert, also elektrisch geladen werden. Die Details sind komplex und wir kommen später noch darauf zurück. Aber durch die Ionisation können sich in der Luft auch leichter sogenannte Aerosole bilden, also kleinste Partikel, an denen sich Wassertröpfchen anlagern können. Die Aersole sind der Ausgangspunkt der Wolkenbildung und es gibt sie auch ganz ohne kosmische Strahlung. Pollen, Russ, Mikroorganismen, usw: Alles mögliche was in der Luft schwebt, kann die Entstehung von Wolken verursachen. Und eigentlich sollte die kosmische Strahlung da auch nicht weiter groß auffallen: Beziehungsweise nur, wenn sich ihre Intensität verändert, wenn also mal mehr und mal weniger davon auf die Erde kommt. Dann könnten wir, im selben Rhythmus, auch mal mehr und mal weniger Wolken haben. Und es gibt tatsächlich ein Phänomen, dass die Intensität der kosmischen Strahlung auf diese Weise steuern könnte: Die Aktivität der Sonne. Unser Stern ist unterschiedlich aktiv, das heißt die durch die Magnetfelder der Sonne gesteuerte Bewegung der geladenen Teilchen des Sonnenplasmas ist mal mehr und mal weniger turbulent, in einem Rhythmus von circa 11 Jahren. Dadurch ändert sich auch die Menge an Teilchen, die die Sonne ins All hinaus pustet. Es geht jetzt aber nicht um die Teilchen der Sonne selbst, sondern das, was sie mit den Teilchen anstellen, die von außerhalb des Sonnensystems kommen. Der Prozess ist kompliziert, aber im Wesentlichen läuft es so ab: Die galaktische kosmische Strahlung kommt von außen, in das Sonnensystem hinein. Die solare kosmische Strahlung bewegt sich von innen aus dem Sonnensystem hinaus. Wenn die Sonnenaktivität hoch ist, ist die Stärke dieses Teilchenstroms groß. Auch das Magnetfeld der Sonne verändert sich und die "Magnetosphäre", also der Einflussbereich des solaren Magnetfeldes vergrößert sich. Oder anders gesagt: Ist die Sonnenaktivität hoch, kann weniger galaktische kosmische Strahlung von außen ins Sonnensystem kommen. Es kommt weniger davon auf der Erde an und ihr Einfluss auf die Atmosphäre und die Wolkenbildung wird geringer. Oder noch einmal anders gesagt: Die Wolkenbedeckung der Erde könnte durch die periodische Sonnenaktivät und die dadurch verursachte periodische Veränderung der Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung verändert werden. Die Konsequenzen sind unter Umständen sogar noch größer: Wenn in Zeiten hoher Sonnenaktivität weniger Wolken in der Atmosphäre entstehen, wird es auf der Erde heißer. Das Zusammenspiel von Sonnenaktivität und galaktischer kosmischer Strahlung könnte also das Klima der Erde beeinflussen.

Genau das war die Hypothese, die 1997 von den dänischen Physikern Eigil Friis-Christensen und Henrik Svensmark veröffentlicht wurde. Ihre Behauptung: Die Erwärmung der Erde, die man auch damals schon registriert hatte, hat nur wenig mit irgendwelchen menschengemachten Treibhausgase zu tun, sondern viel mehr mit der Sonnenaktivität. Ich habe darüber auch schon in Folge 368 der Sternengeschichten gesprochen und wer sich noch daran erinnert wird auch wissen, dass ich damals gesagt habe, dass diese Hypothese sich als falsch herausgestellt hat. Das ist immer noch der Fall, aber es lohnt sich, ein bisschen genauer darauf zu schauen, wie der Weg zu dieser Erkenntnis war. Denn erstmal ist die Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen durchaus plausibel. All das, was ich vorhin beschrieben habe, ist tatsächlich so: Kosmische Strahlung kann einen Beitrag zur Wolkenbildung leisten. Unklar war zum damaligen Zeitpunkt aber noch das Ausmaß des Effekts. Svensmark war der Ansicht, dass der Einfluss der kosmischen Strahlung durchaus sehr relevant ist und viele andere sind ihm in dieser Interpretation gefolgt. Jede Menge Forscherinnen und Forscher waren aber auch skeptisch, weil die Datenlage nicht wirklich ausreichend war, um solche weitreichenden Aussagen treffen zu können. Und was macht man in so einem Fall? Seriöserweise forscht man weiter und kümmert sich vor allem um bessere Daten. Beides ist in den Jahren nach 1997 ausführlich passiert. In vielen hunderten wissenschaftlichen Arbeiten hat man sich auf alle möglichen Arten mit der Hypothese auseinandergesetzt. Und der britische Physiker Jasper Kirkby hat sich daran gemacht, ein Experiment zu entwerfen, um die Sache ein für alle mal zu klären. Schon 1998 hat er die Idee zu CLOUD gehabt. Das Wort bedeutet nicht nur "Wolke" auf englisch, sondern ist natürlich auch ein Akronym, wenn auch ein etwas bemühtes. CLOUD steht für "Cosmics Leaving OUtdoor Droplets", was so viel heißt wie "kosmische Strahlung erzeugt draußen Tropfen". Na ja…

Die Idee war aber gut. Kirkby war Physiker am europäischen Kernforschungszentrum CERN und hat sich gedacht: Hochenergetische Protonen und Alpha-Teilchen kriegen wir mit unseren Beschleunigern auch hin! Wir können quasi künstliche kosmische Strahlung produzieren und dann unter kontrollierten Bedingungen ihre Auswirkung auf Wolkenbildung untersuchen. Denn das war ja das Problem mit der Hypothese von Svensmark und Friis-Christensen: Man hat sie aus Beobachtungsdaten der Wolkenbedeckung abgeleitet, aus Messdaten der kosmischen Strahlung und die stammen natürlich alle aus der realen Welt. Und in der realen Atmosphäre geht jede Menge ab; da befinden sich jede Menge Gase, Teilchen, Aerosole, und so weiter und wir können das nicht alles auf einmal im Blick behalten. Viel deutlicher wird das Bild, wenn wir uns eine künstliche Atmosphäre basteln, wo nur das drin ist, was wir auch vorher reinstecken und wenn wir dann mit von uns selbst erzeugter kosmischer Strahlung drauffeuern. Dann haben wir alles unter Kontrolle und können genau schauen, unter welchen Bedingungen die kosmische Strahlung welchen Einfluss hat. Genau das war Kirkbys Idee zu CLOUD und genau das haben er und sein Team in den nächsten Jahren am CERN umgesetzt. 2006 wurde die ersten Tests gestartet, die gezeigt haben, dass die Anlage funktioniert und das macht, was sie machen soll. Und 2011 wurden dann auch die Ergebnisse des ersten echten CLOUD-Experimente publiziert. Bei den Testläufen hatte man vor allem Schwefelsäure untersucht, die in der realen Atmosphäre an der Entstehung von Wolkenbildungskernen beteiligt ist. Man hat aber auch gesehen, dass Schwefelsäure alleine nicht ausreicht, um ein realistisches Bild zu erhalten. Deswegen hat man für die echten Experimente auch noch andere Gase in die Testatmosphäre eingebracht. Zum Beispiel Ammoniak, und wenn man das in den Mengen hinzufügt, die man auch in der realen Atmosphäre findet, wird es spannend. CLOUD hat gezeigt, dass Ammoniak die Nukleationsrate von Schwefelsäure massiv erhöht. Nukleationsrate, das heißt die Rate, mit der sich Schwefelsäureteilchen zu größeren Aerosolen verbinden können. Und "massiv erhöht" heißt: Um das circa hundert bis tausendfache. Ammoniak kann sich an die Schwefelsäure anlagern und so dabei helfen, die Teilchen stabil zu halten, die ansonsten schnell wieder verdampfen würden. Die ersten CLOUD-Daten haben aber auch gezeigt, dass kosmische Strahlung zu einer Erhöhung der Nukleationsrate führt.

2013 hat man dann weitere Ergebnisse publizieren können. Diesmal hat man sich die Rolle von Aminen angesehen. Amine sind organische Moleküle, die zum Beispiel von Pflanzen erzeugt werden und die haben sich als noch effektiver herausgestellt, ...