Laboraufbau

Atmosphäre: Schwefel geht neue Wege

Ein internationales Forschungsteam um Ionenphysiker Armin Hansel konnte im Labor einen völlig neuen Reaktionsweg für die größte natürliche Schwefelquelle in der Atmosphäre experimentell nachweisen. Über den neuen Abbaumechanismus für das hauptsächlich über den Weltmeeren freigesetzte Dimethylsulfid berichtet das Team im Journal of Physical Chemistry Letters.

Dimethylsulfid ist die am häufigsten auf natürlichem Weg in die Atmosphäre emittierte Schwefelverbindung. Über die Bildung von natürlichen Partikeln und Wolken hat sie einen starken Einfluss auf das Klima. Die neuen Erkenntnisse des internationalen Forschungsteam zeigen, dass wichtige Schritte im Schwefelkreislauf der Erde noch nicht richtig verstanden sind, denn sie stellen die bisher angenommenen Bildungswege für Schwefeldioxid, Methansulfonsäure und für Carbonylsulfid ausgehend vom Dimethylsulfid in Frage.

Für die Laborversuche kam am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig ein Freistrahl-Strömungssystem zum Einsatz, das die Untersuchung von Oxidationsreaktionen unter atmosphärischen Bedingungen ohne störende Wandeffekte erlaubt. Die Produkte der Reaktionen wurden mit hochmodernen Massenspektrometern bei Verwendung verschiedener Ionisierungsmethoden gemessen. Bei den Untersuchungen zum Abbauprozess von Dimethylsulfid zeigte sich, dass dies überwiegend über einen zweistufigen Radikal-Isomerisierungsprozess geschieht, bei dem Hydroperoxymethyl thioformate (HOOCH2SCHO, HPMTF) als stabiles Zwischenprodukt sowie Hydroxyl-Radikale entstehen. Über diesen Reaktionsweg wurde bereits seit vier Jahren theoretisch spekuliert, aber der tatsächliche Nachweis gelang erst jetzt dem deutsch-österreichisch-finnischen Team. „Das Zusammenspiel von optimalen Reaktionsbedingungen und hochempfindlichen Detektionsmethoden wie das an der Universität Innsbruck entwickelte PTR3-TOF erlaubt uns, nahezu direkt in ein Reaktionssystem hineinzusehen“, berichtet Dr. Torsten Berndt vom TROPOS, der die Untersuchungen leitet. Der neue Reaktionsweg ist deutlich schneller als die traditionellen bimolekularen Radikal-Reaktionen mit Stickstoffmonoxid, Hydroperoxy- und Peroxy-Radikalen. „Weiterführende Untersuchungen zum Abbau des Zwischenprodukts HOOCH2SCHO werden uns hoffentlich Klarheit über die Bildungskanäle besonders von Schwefeldioxid und Carbonylsulfid geben", so Berndt weiter zu den anstehenden Untersuchungen.

Größte Unsicherheit in den Klimamodellen

Dimethylsulfid ist ein schwefelhaltiges organisches Gas, das nahezu überall vorkommt: Das Abbauprodukt von Bakterien ist zum Beispiel Teil des menschlichen Mundgeruchs. Für das Klima von Bedeutung sind dagegen die großen Mengen, die bei Zersetzungsprozessen im Ozean entstehen: Pro Jahr gelangen geschätzte 10 bis 35 Millionen Tonnen aus dem Meerwasser in die Atmosphäre. Dimethylsulfid ist damit die größte natürliche Schwefelquelle für die Atmosphäre. Durch die Reaktion mit Hydroxyl-Radikalen bilden sich dort dann Schwefelsäure, die eine große Rolle bei der Bildung von natürlichen Partikeln und Wolken über den Ozeanen spielen. Von Bedeutung ist auch das Carbonylsulfid, das durch seine geringe Reaktivität in der Atmosphäre bis in die Stratosphäre eingemischt werden kann und dort zur Schwefelsäure-Aerosolbildung beiträgt und damit zur Kühlung der Erdatmosphäre.

„Die neuen Erkenntnisse über die Abbauwege des Dimethylsulfid helfen, das Wissen über die Bildung von natürlichen Aerosolen zu verbessern“, sagt Armin Hansel vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Uni Innsbruck. „Der Beitrag von Aerosolen und den daraus gebildeten Wolken ist immer noch die größte Unsicherheit in den Klimamodellen.“ Im Gegensatz zu Treibhausgasen wie Kohlendioxid sind die Prozesse bei der Wolkenbildung wesentlich komplexer und schwerer in Modellen wiederzugeben.

Die Untersuchungen wurden unter anderem gefördert vom Europäischen Forschungsrat, der Europäischen Union und der Finnischen Akademie.

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