Die Entstehung nachtleuchtender Wolken in der Mesopause

Die Mesopause in ca. 86km Höhe ist der kälteste Ort in der Erdatmosphäre. Insbesondere über dem Sommerpol kann die Durchschnittstemperatur bis auf 130K absinken, in den Tiefstwerten auch bis auf 100K. Trotz des in dieser Höhe sehr geringen Wasserdampfgehaltes kommt es durch die niedrigen Temperaturen zur Kondensation und damit zur Bildung von Wassereiswolken. Der Wasserdampf der Luft kondensiert dabei auf winzigen Meteorstaubpartikeln, nur wenige Nanometer großen Aerosolteilchen, die sich oberhalb der Mesopause aus dem Material verdampfter Meteore formen. Die sich bildenden Wolken, die sogenannten polaren mesosphärischen Wolken, sind die höchsten, auf der Erde vorkommenden Wassereiswolken. Sie sind typischerweise sehr dünn und bei Tageslicht mit bloßen Augen nicht zu sehen. Erst nach Sonnenuntergang, wenn die hinter dem Horizont liegende Sonne die hochliegenden Wolken noch beleuchtet, können sie vom Boden aus beobachtet werden, weshalb sie auch nachtleuchtende Wolken genannt werden. Seit ihrer erstmaligen wissenschaftlichen Erwähnung Ende des 19. Jahrhunderts blieb die Frage nach ihrer Entstehung in dieser Höhe ein Mysterium.

In diesem Beitrag beleuchten wir die außergewöhnlichen Bedingungen und Prozesse, welche zur Entstehung nachtleuchtender Wolken führen. Wir präsentieren Laborexperimente zur Untersuchung der Adsorption von Wassermolekülen auf der Oberfläche von Meteorstaubpartikeln, der Eisnukleation und zum Sättigungsdampfdruck kalter Wassereisphasen. Diese Prozesse sind für ein genaues Verständnis der Entstehung der nachtleuchtenden Wolken von entscheidender Bedeutung. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass es unter den Bedingungen der polaren Sommermesopause entgegen der bisherigen Auffassung auf den Meteorstaubpartikeln nicht zur Nukleation kristallinen, sondern amorphen Eises kommt. Dieses kann dann im späteren Verlauf unter günstigen thermischen Bedingungen kristallisieren. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass der Dampfdruck von amorphem Eis signifikant höher ist, als in bisherigen Studien vermutet wurde.