Zuckerpartikel aus dem Meerwasser erreichen hohe Atmosphärenschichten und beeinflussen das arktische Klima
Messungen mit Ballonsonden, durchgeführt von einem Forscherteam im Herbst 2021 und Frühjahr 2022 auf Spitzbergen, zeigen, dass Salz- und Zuckerpartikel aus dem Ozean bis in die freie Troposphäre aufsteigen können. Diese Partikel tragen zur Wolkenbildung bei und haben somit Auswirkungen auf das Klima in der Arktis. Mit der fortschreitenden Abschmelzung des Meereises könnten vermehrt solche Partikel aus dem Meerwasser in die Atmosphäre gelangen und das Strahlungsbudget der Region verändern. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Atmospheric Chemistry and Physics veröffentlicht und erweitern das Verständnis der komplexen Prozesse, die zur überdurchschnittlichen Erwärmung der Arktis beitragen.
Beteiligte Institutionen und Forschungsrahmen
Die Studie wurde unter Leitung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) durchgeführt. Weitere Partner waren die Universität Köln, das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), das Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, die Universität Oldenburg sowie die Universität Bremen. Die Untersuchung ist Teil des Transregio-Sonderforschungsbereichs 172 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der seit 2016 unter Federführung der Universität Leipzig die klimatischen Veränderungen in der Arktis erforscht.
Rolle von Meeresgischt-Aerosolen in der Arktis
Die zentrale Arktis besteht aus einem Ozean, der im Winter von Meereis bedeckt ist und im Sommer zunehmend offene Wasserflächen aufweist. Aerosolpartikel, die aus Meeresgischt (Sea Spray Aerosol, SSA) stammen, sind in dieser Region entscheidend für die Wolkenbildung und somit für das lokale Klima. Durch brechende Wellen und platzende Luftblasen werden diese Partikel aus dem Meerwasser in die Atmosphäre freigesetzt. Unter bestimmten meteorologischen Bedingungen können sie bis in höhere Atmosphärenschichten aufsteigen.
Diese Partikel enthalten anorganische Meersalze wie Natrium- und Chlorid-Ionen sowie organische Substanzen, die aus dem Oberflächenfilm und dem darunterliegenden Meerwasser stammen. Zu den organischen Bestandteilen zählen marine Kohlenhydrate, überwiegend komplexe, verzweigte Polysaccharide, die von Algen und Bakterien produziert werden.
Bedeutung der Polysaccharide für die Wolkenbildung
Eine Studie von TROPOS aus dem Jahr 2025 zeigte, dass die Eiskeimbildungsaktivität von Meeresgischt-Partikeln maßgeblich durch diese Polysaccharide beeinflusst wird. Modellrechnungen verdeutlichten, dass marine Mehrfachzucker insbesondere bei Temperaturen zwischen -20 und -15 °C in abgelegenen Ozeanregionen eine wichtige Rolle spielen, da dort terrestrische Eiskeimpartikel kaum vorhanden sind. Aerosolpartikel, die als Eiskeime wirken, fördern die Eisbildung in Wolken, was deren Strahlungseigenschaften und Niederschlagsbildung beeinflusst.
Vertikale Verteilung und Nachweis mariner Zucker in der Atmosphäre
Obwohl die Relevanz dieser Zucker für atmosphärische Prozesse anerkannt ist, fehlten bislang vertikal aufgelöste Messungen, die ihre Verbreitung in höheren Atmosphärenschichten belegen. Die bisherigen Untersuchungen beschränkten sich meist auf Meereshöhe oder Berggipfel. Diese Forschungslücke wurde nun durch Luftproben auf Spitzbergen geschlossen. In Höhen zwischen 300 und 1000 Metern wurden bei Ny-Ålesund Filterproben entnommen und später im Labor mit Proben aus Meerwasser und Oberflächenfilm des Kongsfjorden analysiert.
Die Kombination aus Aerosolmessungen in verschiedenen Höhen und Wasserproben ermöglichte erstmals eine direkte Nachverfolgung des Transports mariner Zucker vom Ozean in die Atmosphäre. Die Proben wurden mit dem Fesselballon BELUGA des TROPOS gesammelt, der bereits 2020 bei der MOSAiC-Expedition in der zentralen Arktis eingesetzt wurde.
Atmosphärische Umwandlungen und biologische Prozesse
Labor- und Feldbeobachtungen deuten darauf hin, dass in der Atmosphäre eine molekulare Umwandlung oder zusätzliche Bildung dieser Zucker stattfindet, ausgelöst durch chemische und biologische Aktivitäten. Besonders unter sehr feuchten Bedingungen, etwa in Wolken mit Niederschlag, konnten Forscher die Entstehung dieser Zucker in der Atmosphäre nachweisen. Diese Prozesse könnten mit dem Stoffwechsel von Mikroorganismen in der Luft zusammenhängen.
Diese Erkenntnisse legen nahe, dass marine organische Substanzen in der Atmosphäre dynamischer sind als bisher angenommen und nicht ausschließlich aus dem Meer stammen, sondern auch durch biologische Vorgänge in Wolken gebildet werden. Dies erweitert das Verständnis der Atmosphäre als einen lebendigen und aktiven Bestandteil des Klimasystems.
Auswirkungen auf die Wolkenmikrophysik und zukünftige Forschung
Der Transport dieser Zucker in wolkenbildende Höhen beeinflusst die Wolkenmikrophysik maßgeblich. Mit der fortschreitenden Erwärmung der Arktis und dem Rückgang des Meereises wird die Bedeutung dieser marinen Zucker weiter zunehmen. Vergleichbare Messungen aus der Antarktis liegen bisher nicht vor. Das BELUGA-Team plant daher, im Rahmen der Antarctica-Insync-Expeditionen 2028 Daten aus dem Südpolarmeer zu erheben.
Wolken und Wolkenwasser sind zudem Bestandteil der Begleitausstellung zum Panorama „Antarktis“ des Künstlers Yadegar Asisi im Leipziger Panometer, für die das TROPOS wissenschaftliche Beratung und ein Exponat bereitgestellt hat. Am 19. September 2026 findet dort eine Sonderführung zum Thema „Zwischen Eis und Himmel – Das Geheimnis der antarktischen Wolken“ statt.
Kontaktinformationen der wissenschaftlichen Ansprechpartner
- Dr. Sebastian Zeppenfeld
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Abteilung Chemie der Atmosphäre, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Telefon: +49-341-2717-7360
Profil - Dr. Manuela van Pinxteren
Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Abteilung Chemie der Atmosphäre, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Telefon: +49-341-2717-7102
Profil - Tilo Arnhold
Öffentlichkeitsarbeit, TROPOS
Telefon: +49-341-2717-7189
Pressemitteilungen
Originalpublikation
Zeppenfeld, S. et al.: Marine carbohydrates and other sea spray aerosol constituents across altitudes in the lower troposphere of Ny-Ålesund, Svalbard, Atmospheric Chemistry and Physics, 26, 7235–7260, 2026.
DOI: 10.5194/acp-26-7235-2026
Die Forschung wurde finanziell unterstützt durch das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Projektnummer 268020496-TRR 172) im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs „ArctiC Amplification: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)³“ in den Teilprojekten A02, B04, C03 und E02.
