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.
„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
