Das kleine Flugzeug, eine zweimotorige Turbo-Prop-Maschine vom Typ "Gulfstream I", wird ordentlich durchgeschüttelt, als es mitten durch die Wolken pflügt. Es ist stürmisch, rauf und runter geht es in den Turbulenzen.
Hinten sitzt Kimberly Prather, Leiterin der Abteilung für Atmosphärenchemie an der Universität von Kalifornien in San Diego. "Um das Dröhnen der Propeller zu dämpfen, trägt sie Kopfhörer. Sie stützt sich auf das Gestell mit den Messinstrumenten und schaut konzentriert auf den auf und ab hüpfenden Bildschirm ihres Laptops, auf dem die Messwerte aus den Wolken abgespult werden", schreibt der US-Journalist Douglas Fox, der die seltene Gelegenheit hatte, die Forscherin bei einem ihrer spektakulären Flüge über die kalifornische Sierra Nevada zu begleiten.
Prather will herausfinden, woraus Wolken sich zusammensetzen und wie sie das Wetter beeinflussen. Vor allem aber will sie wissen, warum aus manchen Wolken Regen fällt und aus anderen nicht. Denn darauf hat die Wissenschaft immer noch keine befriedigende Antwort.
Wie kommt so ein Regentropfen überhaupt zustande? Stellen wir uns die Wolke als großen Heiratsmarkt vor: Unzählige Wassermoleküle, die durch Verdunstung in die Atmosphäre aufgestiegen sind, werden zunächst zu winzigen Wolkentröpfchen verkuppelt. Die Rolle der Kuppler spielen Staub-, Ruß- oder Salzpartikel und andere Schwebeteilchen aus der Luft: An diesen Aerosolen mit einem Durchmesser von nur 0,2 Tausendstel Millimetern schlägt sich das Wolkenwasser nieder.
Idealerweise kondensiert es allerdings nicht nur, wie der Fachmann sagt, sondern gefriert auch zu Eiskristallen. Die Wassermoleküle gehen dann eine festere Beziehung ein, so dass sich die Wolkentröpfchen zu Regentropfen zusammenballen können, die mit etwa zwei Millimetern Durchmesser groß und schwer genug sind, um aus der Wolke herauszufallen und etwas später womöglich auf unserem Kopf zu landen.
Aber was gibt dafür den Anstoß? Welche Bedingungen müssen in Wolken herrschen, damit solche Eiskristalle entstehen, die bei Regenwetter auf dem Weg zur Erde wieder schmelzen oder sich bei kälteren Lufttemperaturen in Form von Graupel, Hagel oder Schnee niederschlagen?
Kimberly Prather wird irgendwann klar, dass sie solche Fragen vom Boden aus letztlich nicht beantworten können wird. Dass sie selber hoch hinaus muss in die Wolken, dorthin, wo Wassermoleküle miteinander schäkern und sich das Wetter zusammenbraut. Schon vor Jahren hat sie ein Gerät entwickelt, das in Echtzeit über die exakte Größe und chemische Zusammensetzung von Teilchen in der Luft Auskunft geben kann. Ein mobiles Modell dieses "Flugzeitmassenspektrometers für Aerosole", kurz: ATOFMS, hat sie auch in der "Gulfstream I" verstaut, die ihr von einem Labor des US-amerikanischen Energieministeriums zur Verfügung gestellt wurde. Das Flugzeug (Länge 19,4 Meter, Spannweite 23,8 Meter) war einmal ein hochmodernes Verkehrsmittel für eilige Geschäftsleute, bevor es Ende der 1960er Jahre ausrangiert und danach zu Forschungszwecken umfunktioniert wurde.
Prather bereitet ihre Expedition akribisch vor. Im Februar und März 2011 will sie den Niederschlägen erstmals in einer konzertierten Aktion auf die Pelle rücken. Während sie mit Kollegen das ATOFMS in den Wolken in Stellung bringt, sollen zur gleichen Zeit andere Forscher am Boden an mehreren entlegenen Orten Proben nehmen, um zu vergleichen, ob das, was am Erdboden ankommt, auch mit dem identisch ist, was oben in den Wolken entstand. Parallel dazu werden meteorologische Daten und Bilder von Satelliten ausgewertet, die über die örtlichen Wetterverhältnisse und globale Luftströmungen Auskunft geben.
Vom McClellan Airport aus, einem ehemaligen Militärflugplatz in der Nähe von Kaliforniens Hauptstadt Sacramento, geht es im Zickzack-Kurs quer über das Hochgebirge der Sierra Nevada, im Westen bis zum Pazifik, im Osten bis nach Carson City, der Hauptstadt des angrenzenden US-Bundesstaates Nevada - immer in der Hoffnung auf einen kräftigen Sturm, der ergiebige Niederschläge mit sich bringt. Anfangs trübt kein Wölkchen den blauen Himmel, ungewöhnlich für die Jahreszeit. Aber an dem Tag, an dem Reporter Douglas Fox mitfliegt, wird das Wetter endlich schlechter. "Die Messwerte teilen Prather mit, dass diese Winterwolken kalt und schwer sind - minus 35 Grad Celsius und etwas mehr als hundert Prozent relative Luftfeuchtigkeit", notiert der Gast an Bord. "Trotzdem bleiben die Tropfen in den Wolken weiter flüssig. So lange sie keine Eiskristalle bilden, werden aus diesen Wolken nicht mehr als einige wenige Schneeflocken auf die Sierra fallen. Es sind eben typische Wolken - echte Scherzbolde, aus denen so gut wie gar nichts fällt."
Doch nach zwei Stunden heißt es plötzlich: "Eis!" Der Pilot hat das Flugzeug in eine Wolkenschicht gesteuert, in der schlagartig jedes Wassertröpfchen gefroren ist. "Prathers Messgerät mit dem Kosenamen »Shirley« - ein Wirrwarr von Metallröhren, Drähten und luftundurchlässigen Kammern - macht »tick-tick-tick«, als ein Laser Hunderte von mikroskopisch kleinen Wolkenpartikeln, die aus der Außenluft hereingezogen werden, eines nach dem anderen auseinanderreißt." Die Echtzeit-Analyse lässt die Herzen allseits höher schlagen, denn sie bestätigt das Ergebnis früherer Flüge: "Die Partikel im Herzen dieser Eiskristalle haben einen hohen Anteil von Aluminium, Eisen, Silizium und Titan - chemische Signaturen von Staub, der nicht aus Kalifornien, sondern aus weit entfernten Wüsten in Asien oder sogar Afrika stammt. Und dann ist da noch etwas: Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor - Hinweise, die auf biologische Zellen schließen lassen."
Der Abgleich mit den Wetter- und Satellitendaten wird später zeigen: Die Staubteilchen, die als "Kristallisationskeime" in die Eispartikel eingeschlossen waren, stammen aus der Wüste Taklimakan in China, der Wüste Gobi oder der Sahara. Und die Spuren von Leben? Was haben sie hoch über der Sierra Nevada zu suchen?
"Mikroben als Wettermacher" - "Wenn es regnet, dann regnet es Bakterien" - "Bakterien lassen es schneien": So lauteten die Schlagzeilen der Berichte über die aufsehenerregende Theorie, dass Bakterien, Pilzsporen oder Algen, die aufgewirbelt werden, als Keime für Wolken-Eis dienen könnten. In allen möglichen Niederschlägen hat man inzwischen Hinweise auf Mikroorganismen gefunden. Forscher aus Innsbruck fischten Wassertropfen aus einer Wolke, die über eine meteorologische Station auf dem Hohen Sonnblick in den österreichischen Alpen hinweggezogen war. Die Tropfen wurden tiefgefroren, im Labor geschmolzen und bei typischen Temperaturen, wie sie in Wolken herrschen, analysiert. In einem Milliliter Schmelzwasser fanden sich im Durchschnitt 1500 Bakterien - "einige rund, einige stabförmig und einige geformt wie lange Fasern". Es blieb zwar unklar, um welche Spezies es sich handelte. Aber trotz der Kälte, der intensiven ultravioletten Strahlung und des begrenzten Nahrungsangebots, denen sie in der Wolke ausgesetzt gewesen waren, konnten sich die Mikroben munter teilen und vermehren.
Da rund 60 Prozent des Himmels von Wolken bedeckt seien, so Teamleiterin Birgit Sattler, müsse man das darin enthaltene Wasser wohl als ein eigenes "mikrobielles Habitat" betrachten.
Seitdem haben sich die Hinweise auf Leben in den Wolken verdichtet. Der US-Mikrobiologe Brent Christner isolierte bakterielle Erbsubstanz aus 19 Proben von frisch gefallenem Schnee, die an verschiedenen Orten gesammelt wurden - in den Rocky Mountains, den französischen Alpen und den Pyrenäen, in Yukon im äußersten Nordwesten Kanadas und auf Ross Island in der Antarktis.
Ein internationales Team nahm 42 Hagelkörner unter die Lupe, die im Mai 2009 bei einem Gewittersturm über der slowenischen Hauptstadt Ljubljana niedergegangen waren. Pro Milliliter Wasser zählten die Forscher zwischen 778 und 21 321 Zellen, die meisten von Bakterien, wie sie sich typischerweise auch im Boden, auf Pflanzen, Straßen oder an Hauswänden fänden. Etwa zehn Prozent der Keime seien aktiv und lebensfähig gewesen. Sie hätten sich offenbar an den "Lebensraum Wolke" angepasst, erklärten die Forscher Anfang des Jahres. Wenig später berichtete ein US-Team aus Atlanta, dass bei Erkundungsflügen der NASA in die Sturmwolken der Hurrikane "Earl" und "Karl" 2010 Abertausende von Mikroorganismen eingesammelt worden seien, die sich 314 Bakterienfamilien zuordnen ließen. Auch wenn es sich bei den meisten vermutlich nur um "gelegentliche Besucher in der oberen Troposphäre" gehandelt habe, die durch die Hurrikane aufgewirbelt wurden, seien immerhin 17 Bakterientypen in sämtlichen Proben enthalten gewesen. Die Wissenschaftler folgern daraus, dass Mikroorganismen in Wolken wochenlang überleben, sich mit dem Wetter von einem Ort zum anderen treiben lassen und ihre Gene dadurch über den ganzen Globus verbreiten könnten.
Auch Kimberly Prather hat die Ergebnisse ihrer Expedition, bei der die Forscher fast 70 Stunden in der Luft verbrachten, inzwischen ausgewertet und in diesem Jahr im US-Magazin "Science" veröffentlicht. Sie sieht sich durch die Daten in ihrer Überzeugung bestärkt, "dass Staubpartikel und Teilchen biologischer Herkunft eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Eis und der potenziellen Auslösung von Niederschlägen spielen". Bei einem Drittel der im Wolken-Eis entdeckten Kristallisationskeime handelte es sich ganz oder teilweise um organisches Material. Das meiste Eis fand sich, scheinbar paradox, nicht etwa dort, wo es am kältesten war, sondern in wärmeren Wolkenschichten - auch dies ein Indiz dafür, dass Mikroorganismen den Prozess der Vereisung anstoßen und beschleunigen können. Um noch einmal das Bild vom Heiratsmarkt aufzugreifen: Bakterien könnten den Wassermolekülen, die sich zu Eiskristallen verbinden sollen, signalisieren: Jetzt aber schnell unter die Haube!
Was Bakterien in dieser Hinsicht zu leisten vermögen, weiß man zum Beispiel von "Pseudomonas syringae", einer auf Pflanzen nahezu allgegenwärtigen Mikrobe. In ihrer Gegenwart gefriert absolut reines Wasser, das normalerweise bei Temperaturen bis minus 40 Grad flüssig bleibt, schon bei deutlich wärmeren minus 1,5 Grad Celsius.