15.01.2021

Wie Aerosole entstehen

Frühe Phase der Nukleation auf molekularem Niveau analysiert.

Aerosole sind fein­verteilte Tröpfchen oder feste Partikel in einem Gas. Wolken beispielsweise sind in der Luft verteilte Wasser­tröpfchen und damit ein Aerosol. Die Bildung solcher Tröpfchen läuft in zwei Schritten ab: Zunächst bildet sich ein Kondensations­keim. In einem zweiten Schritt kondensieren daran flüchtige Moleküle und bilden ein Tröpfchen. Konden­sationskeime bestehen häufig aus anderen Molekülen als jene, die anschließend daran kondensieren. Im Fall von Wolken beinhalten die Konden­sationskeime oft Schwefelsäure und organische Substanzen. An diesen Keimen kondensiert anschließend Wasserdampf aus der Atmosphäre. Wissenschaftler unter der Leitung von Ruth Signorell von der ETH Zürich haben nun neue Erkennt­nisse gewonnen über den ersten Schritt der Aerosol­bildung, der Keimbildung.

Abb.: Mit diesem Experiment konnten die ersten Schritte bei der Bildung von...
Abb.: Mit diesem Experiment konnten die ersten Schritte bei der Bildung von Aerosolen analysiert werden. (Bild: R. Signorell, ETHZ)

„Beobachtungen haben gezeigt, dass auch die flüchtigen Komponenten den Nukleations­prozess beinflussen können“, erklärt Signorell. „Unklar war hingegen, wie dieser Mechanismus auf mole­kularem Niveau verstanden werden kann.“ Denn es war es bisher gar nicht möglich, die flüchtigen Komponenten während der Keimbildung experimentell zu beobachten. Selbst in einem berühmten Experiment zur Wolken­bildung am Cern, dem Cloud-Experiment, konnten bestimmte flüchtige Bestand­teile nicht direkt nachgewiesen werden.

Die Forscher entwickelten ein Experiment, um die ersten Mikro­sekunden des Nukleations­prozesses zu untersuchen. Die dabei gebildeten Partikel bleiben im Experiment während dieser Zeit unversehrt und können mittels Massen­spektrometrie detektiert werden. Im Experiment untersucht haben die Wissen­schaftler die Nukleation in verschiedenen CO2-haltigen Gasmischungen. Zum ersten Mal konnten sie dabei auch die flüchtige Komponente nachweisen. Dabei handelte es sich im Experiment um CO2. So konnten die Forscher aufzeigen, dass die flüchtige Komponente für die Bildung von Nukleations­keimen einerseits essenziell ist und andererseits diesen Vorgang beschleunigt.

Wie eine Analyse der experi­mentellen Daten nahelegt, ist diese Beschleunigung darauf zurückzuführen, dass die flüchtigen Komponenten die Nukleation der weniger flüchtigen Kompo­nenten katalysieren. Dies tun sie durch die Bildung von kurzlebigen, gemischten Molekül­aggregaten, den Begleiter­komplexen. „Da die Flüchtigkeit von Gaskomponenten temperatur­abhängig ist, spielt auch die Temperatur bei diesen Prozessen eine grosse Rolle“, erklärt Signorell.

Interessant sind die neuen Forschungs­resultate unter anderem, um damit die Nukleation, ihre molekularen Mechanismen und Geschwin­digkeit besser zu verstehen und auch in Modellen erfassen zu können – beispielsweise bei der Wolkenbildung in der Erdatmo­sphäre. Außerdem dürften die Ergebnisse helfen, die technische Bildung von Aerosolen effizienter zu gestalten. Ein Beispiel hierfür ist die CO2-Abscheidung bei der Erdgas­aufbereitung mittels schneller Kühlung.

ETHZ / JOL

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