CLOUD-Experiment

Das CLOUD-Experiment (von englisch Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) ist ein seit 2006 durchgeführtes Projekt an der Kernforschungseinrichtung CERN zur Untersuchung des Einflusses von kosmischer Strahlung auf die Bildung von Kondensationskeimen (Aerosolen) in der Atmosphäre und damit auf die Wolkenbildung. An dem Projekt sind 67 Wissenschaftler von 13 Instituten aus weltweit 8 Ländern beteiligt (Stand 2011).^[1]

Ziele und Planung

Das Experiment wurde erdacht, geplant und wird derzeit geleitet von dem Teilchenphysiker Jasper Kirkby. Mit dem Experiment soll der von Henrik Svensmark postulierte und sehr umstrittene Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung untersucht werden. Schwankungen in der Intensität der kosmischen Strahlung, bedingt durch schwankende Sonnenaktivität (Sonnenfleckenzyklus) und variierende Positionen des Sonnensystems in den Spiralarmen der Milchstraße, sollen demnach indirekt Einfluss auf die Wolkenbedeckung, und somit auf das Klima der Erde haben. Es wird untersucht, ob Sekundärteilchen der kosmischen Strahlung in unterschiedlichen Schichten der Erdatmosphäre Einfluss auf die Bildung von Aerosolen haben, welche als Kondensationskeime zur Wolkenbildung dienen. Weiterhin wird erstmals unter Laborbedingungen untersucht, welche Aerosolpartikel und Prozesse der Atmosphärenchemie an der Entstehung der Kondensationskeime beteiligt sind.

Obwohl der erste Vorschlag für ein derartiges Experiment aus dem Jahre 1998 stammt, wurde das Experiment erst im März 2006 genehmigt. Nach dem zwischenzeitlichen Aufbau und Test eines Prototyps (Mk1 prototype mit 8 m³) im Jahr 2006 sowie einer ausgiebigen Testphase der 2. CLOUD-Kammer (Mk2 prototype mit 26 m³), konnte erst Ende 2009 mit ersten Untersuchungen begonnen werden. Die Veröffentlichung erster umfassender Ergebnisse (Mk2 prototype) wurde für die zweite Jahreshälfte 2011 angekündigt, wobei im Vorfeld der CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer seine Mitarbeiter angewiesen hatte, die Versuchsdaten ohne jegliche Interpretation zu veröffentlichen, um damit keine politische Diskussion anzufachen.

„Ich habe die Kollegen gebeten, die Ergebnisse klar darzustellen aber nicht zu interpretieren. Damit würde man sich sofort in die hochpolitische Arena der Klimawandeldiskussion begeben.“

– Rolf-Dieter Heuer in Welt Online^[2]

Ende August 2011 erschien die Veröffentlichung von Kirkby et al.^[3] in der Fachzeitschrift Nature (kurze Zusammenfassungen in naturenews-online^[4] und der CERN Pressemitteilung^[5]).

Nach einer Messperiode von ca. 2–3 Jahren mit der 2. CLOUD-Kammer (Mk2 prototype) ist ein finaler Versuchsaufbau mit einer CLOUD-Kammer von 4,5 m Durchmesser geplant (mit ca. 50–70 m³).^[6] Mit endgültigen und eindeutigen Resultaten ist nach Ansicht der Wissenschaftler in ca. 5 Jahren zu rechnen (ca. 2016-2017).

Versuchsaufbau

Die sogenannte CLOUD-Kammer (engl. chamber) besteht derzeit (Mk2 prototype) aus einem Edelstahlzylinder mit 3 m Durchmesser und einem Fassungsvermögen von 26,1 m³, in dem die Zusammensetzung und die vorherrschenden Bedingungen in unterschiedlichen Höhen der Atmosphäre simuliert werden können. Die Kammer befindet sich in einem thermisch isolierten Gehäuse, in dem Luft zirkuliert, wodurch in der Kammer im Bereich von 40 °C bis −30 °C eine konstante Temperatur mit einer Stabilität von ca. 0,01 °C realisiert wird . Der Aufbau ist in der Osthalle des CERN Proton Synchrotrons (PS) positioniert, mit dessen Strahl die natürliche kosmische Strahlung unter kontrollierten Bedingungen nachgebildet werden kann. Über ein Glasfaserverteilernetz kann zusätzlich Ultraviolettstrahlung (250–400 nm) gleichmäßig und ohne Wärmeeinwirkung von oben in die Kammer eingestrahlt werden, um die unterschiedliche Intensität der UV-Strahlung der Sonne in verschiedenen Höhen der Atmosphäre nachzubilden.^[7]

Zur Analyse der Zusammensetzung und deren Veränderung der simulierten Atmosphäre befinden sich eine Vielzahl von Messinstrumenten in und um die Kammer herum. So unter anderem Massenspektrometer, Kondensationspartikelzähler, Gassensoren und Temperatur- und Druckmesser.

Ergebnisse

Im Februar 2010 wurden Ergebnisse eines 4-wöchigen Testlaufs der Pilot-Anlage (Mk1 prototype) im Oktober 2006 präsentiert. Sie deuteten auf einen existierenden Zusammenhang zwischen Ionen-induzierter Kondensationskeimbildung und der Bildung von Aerosolen hin. Für eine genaue Quantifizierung, unter welchen Bedingungen diese Aerosolbildung eine signifikante Größe erreicht, waren noch Verbesserungen am Versuchsaufbau nötig, die in die Konstruktion der 2. CLOUD-Kammer (Mk2 prototype) eingeflossen sind.^[8][9]

Im August 2011 wurden die ersten Ergebnisse einer mehrjährigen Versuchsphase mit der derzeitigen CLOUD-Kammer (Mk2 prototype) präsentiert.^[3][4][5] Es konnte ein verstärkender Effekt der ionisierend wirkenden kosmischen Strahlung auf die Zusammenballung von Aerosolpartikeln in den simulierten kälteren Schichten der mittleren Troposphäre eindeutig nachgewiesen werden, wobei aber die beobachteten Aerosole keine ausreichende Größe erreichten, um als Kondensationskeime zu fungieren. Die ionisierten Molekülcluster aus Schwefelsäure zeigten dabei eine 10 mal höhere Nukleationsrate als elektrisch neutrale Cluster. Für die unteren Atmosphärenschichten bis 1000 m konnte weiterhin gezeigt werden, dass die vorherrschende Annahme nicht zutrifft, dass Schwefelsäure, Ammoniak und Wasserdampf als alleinige Aerosolpartikel für die Bildung der Kondensationskeime verantwortlich sind. Unter den Laborbedingungen konnte nur eine 10 bis 1000 mal kleinere Nukleationsrate von Kondensationskeimen mit diesen Bestandteilen registriert werden als insgesamt in diesen Atmosphärenschichten beobachtbar ist. Die Forscher gehen davon aus, dass weitere Aerosolpartikel entscheidenden Einfluss haben müssen und vermuten Spuren organischer Komponenten als mögliche Kandidaten. In den kommenden Jahren soll gezielt nach der Ursache dieser Abweichung gesucht werden, indem der Einfluss verschiedener zusätzlicher Aerosolpartikel in der CLOUD-Kammer untersucht werden soll.

Weblinks

• The CERN Bullitin - Happily CLOUDy Copyright CERN 2011 - CERN Publications, DG-CO.
• Jasper Kirkby: The CLOUD experiment at CERN. Video auf YouTube von der "Global Warming Seminar Series 2011" der University of Victoria, Kanada.
• Probing the cosmic-ray–climate link IOP Publishing Ltd, physicsworld.com (mit Video: Jasper Kirkby erklärt das CLOUD-Experiment, englisch).
• History of CLOUD Goethe-Universität Frankfurt am Main, mit Links zu allen Fortschrittsberichten des CLOUD-Experiments.

Einzelnachweise

1. ↑ Participating Institutes PS215 (CLOUD). CERN GreyBook. Abgerufen am 26. August 2011.
2. ↑ Wie "Illuminati" den Cern-Forschern geholfen hat. Welt Online 15. Juli 2011. Abgerufen am 20. August 2011.
3. ↑ ^{a b} Jasper Kirkby et al.: Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation. In: Nature. 476, 25. August 2011, S. 429–433, doi:10.1038/nature10343. (PDF)
4. ↑ ^{a b} Cloud formation may be linked to cosmic rays. NatureNews Online 24. August 2011. Abgerufen am 30. August 2011.
5. ↑ ^{a b} CERN's CLOUD experiment provides unprecedented insight into cloud formation. CERN Press Release PR15.11 25. August 2011. Abgerufen am 7. September 2011.
6. ↑ 2007 PROGRESS REPORT ON PS215/CLOUD. The CLOUD Collaboration, CERN, Geneva, SPS and PS Experiments Committee, CERN-SPSC-2008-015 / SPSC-SR-032, April 18, 2008 (PDF)
7. ↑ 2009 PROGRESS REPORT ON PS215/CLOUD. The CLOUD Collaboration, CERN, Geneva, SPS and PS Experiments Committee, CERN-SPSC-2010-013 / SPSC-SR-061, April 7, 2010 (PDF)
8. ↑ J. Duplissy et al.: Results from the CERN pilot CLOUD experiment. In: Atmospheric Chemistry and Physics. 10, 2010, S. 1635–1647. (PDF)
9. ↑ 2006 PROGRESS REPORT ON PS215/CLOUD. The CLOUD Collaboration, CERN, Geneva, SPS and PS Experiments Committee, CERN-SPSC-2007-014 / SPSC-SR-019, April 12, 2007 (PDF)