Wolken bilden sich, wenn warme, feuchte Luft aufsteigt und sich abkühlt. Da kalte Luft weniger Feuchtigkeit speichern kann, kondensiert das Wasser an kleinen Partikeln, darunter beispielsweise Pollen, Staub oder Ruß. Ausgehend von diesen Kondensationskeimen wachsen die Tröpfchen, bis sie schließlich so schwer sind, dass sie als Schnee oder Regen zur Erde fallen. Beim sogenannten „Wolkenimpfen“, auch „Cloud Seeding“ genannt, versuchen Menschen, diesen Prozess gezielt zu beeinflussen, indem sie mit Flugzeugen oder Raketen kleine Partikel in die Wolken sprühen. In trockenen Regionen kommt die Technik zum Einsatz, um Wolken zum Abregnen zu bringen, manche Länder nutzen sie, um für gutes Wetter bei Großereignissen zu sorgen. Auch deutsche Weinbauern setzen gelegentlich auf Cloud Seeding, in der Hoffnung, dadurch Ernteschäden durch Hagel zu verhindern.
Komplexer Mechanismus enthüllt
Bei den versprühten Partikeln handelt es sich meist um Silberiodid, das als besonders effektiver Kondensationskeim gilt. „Der Mechanismus auf atomarer Ebene, der seiner Wirksamkeit zugrunde liegt, ist jedoch noch unklar“, berichtet ein Team um Johanna Hütner von der TU Wien. Bekannt war bislang nur der grobe Mechanismus: „Silberiodid bildet hexagonale Strukturen mit derselben sechskantigen Symmetrie, die man auch von Schneeflocken kennt“, erklärt Hütners Kollege Jan Balajka. „Auch die Abstände zwischen den Atomen ähneln jenen in Eiskristallen. Lange Zeit nahm man an, dass diese Ähnlichkeit der Struktur erklärt, warum Silberiodid ein so effizienter Kristallisationskeim für Eis ist. Eine genauere Untersuchung zeigt jedoch, dass der Mechanismus weitaus komplexer ist.“
Um diesem Mechanismus auf die Spur zu kommen, führten die Forschenden Experimente im Ultrahochvakuum und bei sehr tiefen Temperaturen durch. Sie spalteten Silberiodid-Kristalle und beobachteten mit hochauflösender Rasterkraftmikroskopie, wie Wasser an diesen frisch geschaffenen Oberflächen kondensiert. Wie Hütner und ihre Kollegen feststellten, unterscheiden sich die beiden Seiten des auseinandergebrochenen Kristalls: Die eine Seite ist an der Bruchkante reich an Silberionen, die andere reich an Iodionen. „Wir haben herausgefunden, dass sich beide Oberflächen umordnen, allerdings auf völlig unterschiedliche Weise“, sagt Hütner.
Sechsecke und Vierecke
Die silberreiche Seite behält demnach eine hexagonale Anordnung bei, die eine ideale Vorlage für das Wachstum einer Eisschicht bildet. Hier lagern sich Schicht für Schicht Eiskristalle an. Die iodreiche Seite dagegen bildet eine rechteckige Struktur aus, die nicht mehr zur sechskantigen Symmetrie der Eiskristalle passt. Statt gleichmäßiger Schichten bilden sich hier allenfalls gelegentlich dreidimensionale Gebilde aus kondensiertem Wasser, deren Wachstum sehr begrenzt ist. „Nur die Silber-terminierte Oberfläche trägt zur Keimbildung bei“, erklärt Balajka. „Die Fähigkeit von Silberiodid, in Wolken Eisbildung auszulösen, lässt sich also nicht allein durch die Struktur im Inneren des Kristalls erklären. Entscheidend ist die atomare Anordnung an der Oberfläche – ein Effekt, der bislang völlig übersehen wurde.“
Computersimulationen bestätigen die Ergebnisse. „Mit diesen Simulationen konnten wir berechnen, welche Anordnungen von Atomen energetisch am günstigsten sind“, erklärt Hütners Kollege Andrea Conti. „Durch die genaue Modellierung der Grenzfläche zwischen Silberiodid und Wasser konnten wir beobachten, wie sich die ersten Wassermoleküle auf der Oberfläche anordnen, um eine Eisschicht zu bilden.“ Aus Sicht der Forschenden können die Ergebnisse dazu beitragen, neue Materialien zur Erzeugung von Niederschlägen zu entwickeln. „Eiskeimbildung ist ein Phänomen von zentraler Bedeutung für die Atmosphärenphysik und ein Verständnis auf atomarer Ebene ist essentiell, um herauszufinden, ob andere Materialien als effektive Keimbildner geeignet sein könnten“, sagt Hütners Kollegin Ulrike Diebold.
Quelle: Johanna Hütner (TU Wien, Österreich) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aea2378
