Thomas Leisner hat nichts gegen einen völlig blauen Himmel. Doch er lebt zum Teil davon, dass er Wolken herstellt, manchmal winzig kleine. Dazu braucht der Professor für Umweltphysik nur einen leeren Metallbehälter mit Plexiglasdeckel, etwas grösser als eine Kaffeedose: eine Mini-Wolkenkammer. Über einen Schlauch daran angeschlossen ist ein Kolbenprober, mit dem man Gase von Hand hin- und herpumpen kann.

Wolkenmaschine für Forscher

Um in dem Behälter ein Wölkchen entstehen zu lassen, muss Leisner ungefähr einen Viertelliter Luft heraussaugen. Dadurch sinkt innen der Luftdruck und damit die Temperatur. Und wo es kälter wird, kondensiert gasförmiges zu flüssigem Wasser – zu Wolkentröpfchen. Etwa drei Sekunden lang zieht Leisner Luft aus der Büchse. Fast augenblicklich wirbeln winzige Wassertröpfchen darin umher, sichtbar im Licht eingebauter Lämpchen. «Das ist doch schon mal eine schöne Wolke», sagt der 51-jährige Wissenschafter. Nun ja, eher ein Wölkchen. «Das waren ja fast Reinluftwolken», sagt Leisner. «Jetzt aber kommt eine schmutzige, und dazu verbrennen wir etwas Biomasse.»

Er zündet ein Streichholz an, bläst es aus und hält das kaum noch sichtbar glimmende Hölzchen kurz in den Behälter. Rasch den Deckel verschlossen, dann saugt Leisner wieder Luft heraus – und augenblicklich ziehen drinnen Nebelschwaden umher, verwirbelt durch die Wärme der Dosenlämpchen. Verantwortlich dafür sind grosse Mengen flüchtiger organischer Stoffe aus dem Zündholz. An diesem Dosen-Smog konnten sich viel mehr Wassertröpfchen niederschlagen als in reiner Luft. Ebenso geschieht es täglich in der Erdatmosphäre, auch sie ist alles andere als reine Luft.

Für Wolken braucht es Partikel

Der Einfluss der Wolken auf das Klima ist essenziell; er ist jedoch nur sehr schwer zu bestimmen. Wolken gelten deshalb als der grösste Unsicherheitsfaktor in den Klimamodellen. Sie sind damit einer der Hauptgründe, warum die globale Erderwärmung nur ungenau abgeschätzt werden kann. Aus diesem Grund ist ein genaueres Verständnis der Wolken zentral.

Leisner ist kein Physik-Zauberer: Wolken zu erzeugen, ist ein wesentlicher Teil seines Berufs. Nur macht der Leiter der Abteilung Atmosphärische Aerosolforschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) das normalerweise nicht in einer 1,5 Liter fassenden Dose, die nur zur Anschauung dient, sondern in einer sehr viel grösseren und weltweit einzigartigen Wolkenkammer namens Aida. Sie ist etwa sieben Meter hoch und hat einen Durchmesser von vier Metern. Der musikalische Name Aida steht für «Aerosol-Interaktion und Dynamik in der Atmosphäre».

Leisner erklärt: «Auch in der grossen Wolkenkammer erzeugen wir Nebeltröpfchen dadurch, dass wir einen Teil der Luft abpumpen.» Dadurch sinkt der Luftdruck, ähnlich, wie wenn man ein Luftpaket aus Meeresspiegelhöhe um etwa 1800 Meter emporhöbe. Wie in der Mini-Aida lässt fallender Luftdruck das unsichtbare Wasserdampfgas in der Wolkenkammer kondensieren. Dadurch entsteht eine 95 Kubikmeter grosse Wolke, die sich etwa eine halbe Stunde lang hält. Drei bis vier davon lassen sich pro Tag herstellen, auf vier Arbeitsplattformen im Wolkenturm können die Wissenschafter mehrere Experimente gleichzeitig veranstalten.

Wolkentröpfchen bilden sich in der irdischen Atmosphäre immer dann, wenn die Luft mit gasförmigem Wasser übersättigt ist, also ab einer Luftfeuchte von 100 Prozent. Luft kann umso mehr Wassergas aufnehmen, je wärmer sie ist. Kühlt sie ab, verflüssigt sich ein Teil des Wasserdampfes . Damit Wolken- oder Nebeltröpfchen in der freien Atmosphäre entstehen können, braucht es allerdings sogenannte Kondensationskeime, für das Auge unsichtbare, feste oder flüssige Schwebeteilchen, die oft nur einen zehntausendstel Millimeter (hundert Nanometer) messen. Fachleute nennen diese Teilchen Aerosole. Sie dienen als Ansatzpunkte für die Bildung kleinster Tröpfchen. In Leisners Büchsen-Versuch haben Rauchbestandteile diese Rolle übernommen; in der irdischen Luftschicht können das mineralische Körnchen von Wüstenstaub sein, Feinstaub, Salzkörnchen, Blütenpollen oder Bakterien. Ohne sie sähe unsere Welt völlig anders aus.

Genauer ergründen möchten die Forscher, unter welchen Umständen sich Eiskristalle in Wolken bilden. Denn auch für sie sind meist winzige Partikel, sogenannte Eiskeime, erforderlich. Ohne diese würden Eiskristalle in der Erdatmosphäre erst bei etwa minus 38 Grad Celsius zu wachsen beginnen, nicht schon beim üblichen Gefrierpunkt von null Grad.

Gute und schlechte Eiskeime

Sind erst einmal Eiskristalle gewachsen, friert an ihnen weiteres unterkühltes Wasser fest. So wächst ein Eisklümpchen in den Wolken weiter, beginnt zu fallen und verleibt sich dabei weitere festfrierende Wassertröpfchen ein. Dadurch fällt es noch tiefer, gerät in wärmere Luftschichten und beginnt zu tauen. Daraufhin lösen sich Schmelzwassertröpfchen ab, vereinen sich mit etwa einer Million anderen und stürzen dann als ein bis zwei Millimeter grosse Regentropfen zur Erde. Da Regen in der Höhe oft eine Eisphase durchlaufen hat, wäre es für Wolkenforscher wichtig zu verstehen, welche Schwebeteilchen in der Atmosphäre gute und welche schlechte Eiskeime abgeben. Denn nur so liesse sich abschätzen, wie viele Wolken künftig den Himmel bedecken werden.

Klimaforscher müssen aber auch wissen, welche Wolken sich bevorzugt bilden. Denn je nach Typ wirken diese sich klimatisch unterschiedlich aus: Hohe Eiswolken wie die federartigen Zirren lassen sehr viel Sonnenlicht zur Erde durch, während niedrigere Schicht-, Quell- oder Haufenwolken einen grossen Teil der Sonnenstrahlen ins Weltall zurückwerfen.

Sehr komplexe Abläufe der Natur

Die hohen Eiswolken dagegen werfen das von der Erde zurückgestrahlte, für Menschen unsichtbare Infrarot-Licht effektiv wieder zur Erde zurück und tragen so zum natürlichen Treibhauseffekt bei, dem Pflanzen, Tiere und Menschen das Leben verdanken. Ohne diesen Effekt wäre es bei einer mittleren Erdtemperatur von etwa minus 18 Grad Celsius tödlich kalt auf unserem Planeten.

Das sind vereinfachte Abläufe, in Wirklichkeit sind die Verhältnisse viel komplizierter. Schon deshalb, weil in vielen Wolken – zum Beispiel den mehrere Kilometer hohen Gewittertürmen – Eiskristalle, Graupelkörner und Schneeflocken ebenso vorkommen wie Wassertröpfchen. Wissenschafter wie Thomas Leisner hoffen aber, dass sich der Nebel in der Wolkenforschung bald lichtet.