29.03.2021

Wie Aerosole in Wolken entstehen

Prozesse in Wolken sind für bis zu zwanzig Prozent des sekundären organischen Aerosols verantwortlich.

Aerosole, also Gemische aus festen oder flüssigen Schweb­teilchen, spielen eine wichtige Rolle für das Klima auf der Erde. Aerosole in der Atmosphäre stammen entweder aus natürlichen oder menschlichen Quellen. Sie beeinflussen die Strahlungs­bilanz der Erde, indem sie mit dem Sonnenlicht inter­agieren und Wolken bilden. Ihre exakte Wirkung bleibt jedoch die bedeutendste Unsicherheit in Klimamodellen.
 

Abb.: Houssni Lamkaddam an der Versuchs­apparatur (Bild: M. Dzambegovic / PSI)
Abb.: Houssni Lamkaddam an der Versuchs­apparatur (Bild: M. Dzambegovic / PSI)

Eine in der Atmosphäre sehr häufige Substanz ist Isopren, eine organische Verbindung, deren Reaktionen innerhalb der Gasphase der Atmosphäre bereits gut untersucht sind. Isopren wird von Bäumen abgegeben und kann bei seiner Oxidation Aerosole erzeugen. Wie Isopren und seine Reaktions­produkte in Wolkentröpfchen reagieren, ist noch weitgehend unbekannt. Forscher am Paul Scherrer Institut PSI haben deshalb eine Art Strömungs­reaktor mit benetzten Wänden zusammen mit modernsten Massen­spektrometern eingesetzt, um erstmals unter atmosphärisch relevanten Bedingungen zu untersuchen, was im Inneren von Wolken chemisch passieren könnte. 

„Unser Versuchsaufbau erlaubt es uns erstmals, die Verteilung organischer Dämpfe an der Luft-Wasser-Grenzfläche unter atmosphären­nahen Bedingungen genau zu untersuchen“, sagt Houssni Lamkaddam, Forscher im Labor für Atmosphären­chemie des PSI. „Mit unserer Apparatur können wir nun simulieren, was in Wolken passiert.“

In der speziellen Apparatur, einem Benetzungs­reaktor, wird auf der Innenseite eines Quarzrohrs ein dünner Wasserfilm aufrechterhalten. In den Glaszylinder wird ein Gasgemisch eingeleitet, das unter anderem Isopren, Ozon und sogenannte Hydroxyl­radikale enthält. Um den Glas­zylinder herum sind UV-Lampen installiert, um für einen Teil der Experimente Tageslicht­bedingungen zu simulieren. 

Mit diesem Aufbau zeigen sie, dass sich bis zu siebzig Prozent der Isopren-Oxidations­produkte im Wasserfilm lösen. Bei der anschließenden wässrigen Oxidation der gelösten Substanzen entstehen erhebliche Mengen an sekundären organischen Aerosolen. Aus diesen Analysen errechneten die Forscher, dass die chemischen Reaktionen, die in den Wolken ablaufen, für bis zu zwanzig Prozent des sekundären organischen Aerosols im globalen Maßstab verantwortlich sind.

„Das ist ein weiterer wichtiger Beitrag, um die Vorgänge in der Atmosphäre besser zu verstehen“, resümiert Urs Baltensperger, Forschungs­leiter des Labors für Atmosphären­chemie des PSI. Die Strahlungs­bilanz der Erde sei ein sehr wichtiger Faktor im ganzen Klima­geschehen und damit auch beim Klimawandel. „Und Aerosole spielen dabei eine entscheidende Rolle“, so der Atmosphären­forscher. Während Aerosole Wolken­tröpfchen bilden, zeigt diese Arbeit, dass durch die wässrige Chemie organischer Dämpfe auch Wolken Aerosole bilden können, ein Prozess, der für Sulfat­aerosole bekannt ist, hier aber für die organische Fraktion gezeigt wurde. Der neue, am PSI entwickelte Versuchs­aufbau eröffnet die Möglichkeit, die Aerosol­bildung in Wolken unter atmosphären­nahen Bedingungen zu untersuchen, um diese Prozesse letztlich in Klima­modellen zu berück­sichtigen.

PSI / DE
 

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