Ein sehr häufiger Staub besitzt eine erstaunliche Fähigkeit, in Wolken Eis entstehen zu lassen.
In einer kalten Wolke gefrieren Wassertröpfchen nicht zwangsläufig, sobald die Temperatur unter 0 °C sinkt. Sie können weit unter diesem Schwellenwert flüssig bleiben. Das Vorhandensein winziger Partikel verändert die Situation jedoch: Einige bieten eine Oberfläche, auf der sich die ersten Wassermoleküle anordnen und Eis bilden können, wodurch der Zustandswechsel eingeleitet wird.
Wolken aus einem Flugzeug gesehen.
Bild: Wikimedia
Unter diesen Partikeln fasziniert der Mikroklin die Forschenden schon seit Langem. Dieses Mineral gehört zur Familie der Feldspäte, die in Gesteinen weit verbreitet sind. Sobald winzige Körner vom Boden abgetragen werden, können sie in der Atmosphäre transportiert werden. Mikroklin begünstigt die Eisbildung besonders gut, ohne dass der Grund dafür bisher eindeutig geklärt ist.
Ein internationales Team untersuchte seine Oberfläche im Maßstab weniger Milliardstel Meter. Die Forschenden verglichen Mikroklin mit Sanidin, einem sehr ähnlichen Mineral. Auf Sanidin entsteht Eis vor allem in der Nähe kleiner Stufen auf der Oberfläche, wie frühere Beobachtungen erwarten ließen.
Mikroklin verhält sich anders. Die Experimente zeigen, dass Eis auf ebenen Bereichen beginnen kann, sich zu bilden, ohne dass ein besonderer Defekt als Ausgangspunkt dient. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Fähigkeit des Minerals nicht ausschließlich von Rissen, Stufen oder anderen mikroskopischen Unregelmäßigkeiten abhängt.
Simulation eines Eiskristall-Nanokristalls im Kontakt mit Mikroklin- und Sanidinoberflächen.
Quelle: Schneider et al. / Nature Communications — CC BY 4.0
Um dieses Verhalten zu verstehen, ergänzte das Team seine Beobachtungen durch Simulationen auf atomarer Ebene. Eine bestimmte Anordnung der Moleküle im Eis passt gut zur Anordnung der Atome an der Mikroklinoberfläche. Diese Übereinstimmung erleichtert die Bildung der ersten Eisstrukturen.
Anders gesagt kann die Geometrie des Minerals selbst dem Wasser helfen, die für das Gefrieren notwendige Anordnung einzunehmen. Die Forschenden betonen, dass mehrere mögliche Orientierungen des Eises berücksichtigt werden müssen, um diese Übereinstimmung zu erkennen. Die einfachsten Modelle könnten daher den beobachteten Mechanismus übersehen.
Dieses Phänomen ist über das Labor hinaus von Bedeutung. Das in Wolken vorhandene Eis beeinflusst ihre Entwicklung und die Bildung von Niederschlag. Zu verstehen, warum manche Staubpartikel wirksamer sind als andere, kann daher die Darstellung dieser Prozesse in Atmosphärenmodellen verbessern.
Die Forschenden müssen nun bestimmen, wie robust dieser Mechanismus unter den realen Bedingungen der Atmosphäre ist. Ein natürliches Staubkorn kann Defekte, Moleküle oder andere Ablagerungen aufweisen, die auf einer im Labor vorbereiteten Oberfläche fehlen. Ihre Einflüsse zu messen, wird helfen, die Beobachtungen im Nanomaßstab mit dem Verhalten echter Wolken zu verbinden.