Zucker aus dem Meer steigt in die Wolken – und verändert dort das Klima

Zucker in der Arktis? Das klingt zunächst nach einer ziemlich abwegigen Vorstellung. Doch über dem Nordpolarmeer schweben tatsächlich zuckerartige Stoffe durch die Luft – und zwar bis in Höhen, in denen Wolken entstehen. Sie stammen zumindest teilweise von Mikroorganismen im Meer und werden mit winzigen Gischtpartikeln aus dem Wasser gerissen.

Das wird vor allem deshalb interessant, weil die Arktis ihr Gesicht verändert. Wo früher Meereis lag, breiten sich im Sommer immer größere offene Wasserflächen aus. Wind kann dort Wellen erzeugen, Blasen platzen lassen und Meerwasser als feinste Tröpfchen in die Atmosphäre schleudern. Mit ihnen reisen Salze, organische Stoffe und eben auch Kohlenhydrate nach oben. Dort könnten sie die Bildung von Eiskristallen in Wolken beeinflussen – und damit auch deren Strahlungseigenschaften und die Niederschlagsbildung.

Ein Team um das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) untersuchte dafür die Luft bei Ny-Ålesund auf Spitzbergen. Ein Fesselballon sammelte Aerosolpartikel in Höhen zwischen 321 und 1112 Metern. Parallel nahmen die Wissenschaftler Proben am Boden und direkt am Kongsfjord. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Atmospheric Chemistry and Physics.

Meereszucker steigt bis in wolkenrelevante Höhen

In den Ballonproben fanden sich marine Kohlenhydrate in Konzentrationen von 3,8 bis 274 Nanogramm pro Kubikmeter Luft. Am Boden nahe der Ballonstation lagen die Werte zwischen 1,9 und 194 Nanogramm. Direkt am Fjord waren es 1,6 bis 10 Nanogramm pro Kubikmeter. Die Kohlenhydrate kamen damit in sämtlichen untersuchten Höhen vor.

Die Substanzen stammen zumindest teilweise aus dem Meer. Dort produzieren vor allem Mikroorganismen Kohlenhydrate, darunter Oligo- und Polysaccharide. Wind und Wellen erzeugen Blasen an der Wasseroberfläche. Wenn sie platzen, schleudern sie winzige Tröpfchen in die Luft. Neben Meersalz enthalten diese Gischtpartikel auch organische Stoffe aus dem Oberflächenwasser.

Wind trägt organische Stoffe mehr als einen Kilometer hoch

Wie weit die Partikel aufsteigen, hängt stark vom Wetter und von der Durchmischung der unteren Atmosphäre ab. Bei einer Messung war die Luft vom Boden bis in mehrere Hundert Meter Höhe gut vermischt. Meersalz und Kohlenhydrate erreichten dabei wolkenrelevante Höhen mit Konzentrationen, die teilweise fast denen am Boden entsprachen.

Bei einer anderen Messung erreichte der Ballon 1112 Meter und befand sich bereits oberhalb der bodennahen Grenzschicht. Auch dort fanden die Forscher noch marine Kohlenhydrate. Die Luftmasse hatte zuvor vermutlich Kontakt mit einer weit entfernten Meeresregion. Frische Gischt aus dem nahe gelegenen Kongsfjord kam als Quelle deshalb kaum infrage. Die Stoffe können demnach auch über größere Entfernungen transportiert werden.

Winzige Partikel beeinflussen die Wolkenbildung in der Arktis

Wolken brauchen Partikel, an denen sich Wasser sammeln kann. Bestimmte Aerosole fördern außerdem die Bildung von Eiskristallen. Frühere Untersuchungen hatten marine Polysaccharide bereits mit solchen Eiskeimen in Verbindung gebracht. Besonders relevant ist dieser Prozess bei Temperaturen zwischen etwa minus 20 und minus 15 Grad Celsius.

Mehr Eiskristalle können die Eigenschaften einer Wolke verändern – darunter, wie sie Strahlung aufnimmt, zurückhält oder reflektiert und wie Niederschlag entsteht. Auf diesem Weg greifen die marinen Zucker in das Strahlungsbudget der Arktis ein.

Die aktuelle Arbeit misst allerdings nicht direkt, wie stark die gefundenen Kohlenhydrate Wolken oder Klima verändern. Sie klärt vielmehr, ob diese Stoffe überhaupt die nötigen Höhen erreichen. Die Autoren schreiben übersetzt: „Unsere Befunde belegen, dass sowohl Natrium als auch marine Kohlenhydrate erhöhte Höhen innerhalb der Grenzschicht und sogar die freie Troposphäre als Bestandteil von Aerosolpartikeln erreichen.“

Entsteht ein Teil des Zuckers sogar in der Luft?

Einige Messungen lieferten noch eine weitere Überraschung: Die Konzentration bestimmter Kohlenhydrate ließ sich nicht immer allein mit dem Transport vom Meer erklären. Bei höheren Messpunkten stieg teilweise das Verhältnis von Kohlenhydraten zu Natrium stark an. Die Forscher halten deshalb eine zusätzliche Bildung oder Umwandlung in der Atmosphäre für möglich.

Dabei könnten Mikroorganismen beteiligt sein. Besonders interessant war eine Messung am 3. Oktober 2021. Der Ballon befand sich in 666 Metern Höhe. Dort herrschten minus 1,3 Grad Celsius und 96 Prozent relative Luftfeuchtigkeit. Gleichzeitig lag über dem Gebiet eine etwa zwei Kilometer mächtige Mischphasenwolke, aus der es zeitweise nieselte. Solche feuchten Bedingungen könnten biologische und chemische Prozesse in Aerosolpartikeln begünstigen. Ein eindeutiger Nachweis für eine mikrobielle Zuckerproduktion in der Luft gelang jedoch noch nicht.

Weniger Meereis könnte mehr Meeresgischt freisetzen

Wenn das Meereis schwindet, liegen größere Teile des Arktischen Ozeans offen. Dort können Wind und Wellen mehr Meeresgischt erzeugen und damit zusätzliche marine Aerosolpartikel in die Atmosphäre bringen.

So könnte auch ihr Einfluss auf Wolken und das Strahlungsbudget der Arktis wachsen. Wie stark sich das auf das Klima auswirkt, lässt sich aus den Messungen noch nicht bestimmen. Fest steht jedoch, dass marine Kohlenhydrate Höhen von mehr als einem Kilometer erreichen. Neben direktem Transport kommen Ferntransport, chemische Veränderungen und möglicherweise sogar eine Neubildung in der Atmosphäre infrage.

Kurz zusammengefasst:

Zucker aus dem Meer gelangt bis in mehr als 1000 Meter Höhe und erreicht dort Luftschichten, die für die Bildung von Wolken in der Arktis relevant sind.
Die Zuckerstoffe stecken in Aerosolpartikeln aus Meeresgischt und könnten die Bildung von Wolkentröpfchen und Eiskristallen beeinflussen.
Weniger Meereis schafft größere offene Wasserflächen und könnte dadurch künftig mehr Meeresgischt freisetzen; wie stark sich das auf Wolken und Klima auswirkt, ist noch unklar.

Übrigens: Während über der Arktis Meereszucker bis in wolkenrelevante Höhen gelangt, beschleunigt sich am Boden ein weiterer Klimaprozess: Sibiriens Methanemissionen haben sich seit 2010 während der Vegetationsperiode etwa verdoppelt. Mehr dazu in unserem Artikel.