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Montag, 23.01.2017
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Neuer Mitspieler in der Bildung atmosphärischer Schwebteilchen

Smogkammer-Versuche enthüllen Mechanismen der Partikelbildung in der Atmosphäre

Was reguliert die Neubildung von Schwebteilchen in der Atmosphäre? Bisher galt Schwefelsäure allein als zentraler Faktor für diesen Prozess, doch Labor- und Feldstudien brachten widersprüchliche Ergebnisse. Jetzt hat eine Forschergruppe die Ursache dafür entdeckt: Ein bisher nicht berücksichtigtes organisches Molekül ist der entscheidende „Mitspieler“. Diese für die Klimaforschung wichtigen Ergebnisse sind jetzt in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) erschienen.
Im Sphinx-Labor am Jungfraujoch untersucht das PSI die Wolkenbildung aus Aerosol-Partikeln.

Im Sphinx-Labor am Jungfraujoch untersucht das PSI die Wolkenbildung aus Aerosol-Partikeln.

Wolken haben entscheidenden Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde und damit auch auf das Klima. Je feiner die Wolkentröpfchen sind, desto stärker abkühlend wirken diese. Die Größe der Tröpfchen wird wesentlich bestimmt durch die Anzahl kleinster Partikel in der Atmosphäre. Je zahlreicher die Partikel sind, desto feiner sind die Wolkentröpfchen. Aber woher kommen diese Partikel? Manche steigen von der Erde direkt in die Atmosphäre auf, etwa Pollen, Rückstände aus unvollständiger Verbrennung oder Seesalz aus der Gischt. Viele Partikel werden aber überhaupt erst in der Atmosphäre gebildet.

Wie diese so genannte Nukleation geschieht, konnte man bisher jedoch nicht vollkommen klären. Die Forschung ging bis vor kurzem davon aus, dass Schwefelsäure die zentrale Rolle für diesen Prozess spielt. Nur lieferten die Untersuchungen im Feld und im Labor bisher stets widersprüchliche Resultate: Im Labor waren wesentlich höhere Schwefelsäure-Konzentrationen notwendig als im Feld, damit eine Nukleation ablief. Nun ist es Forschenden am Paul Scherrer Institut gelungen, den Mechanismus zu klären.

Smogkammer als Atmosphärenmodell


In einer so genannten Smogkammer, in der Vorgänge in der Atmosphäre simuliert werden können, führten sie Versuche mit Schwefeldioxid (SO2) und einem organischen Gas (Trimethylbenzol, TMB) durch. Unter Sonnenlicht entstand dabei aus dem SO2 Schwefelsäure, das Trimethylbenzol oxidierte zu Verbindungen, die weniger flüchtig sind als das TMB selbst.


PSI-Forscher Urs Baltensperger (links) und Josef Dommen neben der Smogkammer, in der Vorgänge in der Atmosphäre simuliert werden.

PSI-Forscher Urs Baltensperger (links) und Josef Dommen neben der Smogkammer, in der Vorgänge in der Atmosphäre simuliert werden.

Organisches Gas als entscheidende Komponente


Das Erstaunliche dabei: Kommen diese Oxidationsprodukte zusammen, erfolgt die Nukleation schon bei einer Schwefelsäure-Konzentration, die wesentlich geringer ist als wenn man Versuche mit Schwefelsäure allein durchführt. Der Konzentrationsbereich entspricht nun dem, den man in der Atmosphäre bei natürlichen Nukleationen vorfindet. Diese belegt, dass entgegen der bisherigen Meinung nicht zwei Schwefelsäure-Moleküle für die Nukleation zuständig sind, sondern die
Kombination eines Schwefelsäure-Moleküls mit einem organischen Molekül.

Um welches organische Molekül es sich genau handelt, wissen die Wissenschaftler noch nicht, da es heute noch keine analytische Methode für den Nachweis gibt. Sie können aber dessen Konzentration aus dem Abbau des TMB, das der Vorläufer dieses organischen Moleküls ist, abschätzen.

Globales Simulationsmodell bestätigt Ergebnisse


Um diese Hypothese zu erhärten, hat die Universität Leeds den am PSI gefundenen Mechanismus in ihr Modell GLOMAP, ein globales Modell von Aerosol-Prozessen, eingebaut. Und tatsächlich bestätitigte dieses die Vermutungen der PSI-Forscher. Als die Daten in das Simulationsmodell einbezogen wurden, konnte der tatsächlich im Feld gemessene Verlauf der Konzentration von Partikeln mit zunehmender Höhe über dem Boden wesentlich realitätsgetreuer nachvollzogen werden als mit
allen anderen bisher gängigen Ansätzen.
(Paul Scherrer Institut (PSI), 19.01.2010 - NPO)
 
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