Wolken

Rasante Paar­bildung beo­bachtet

Mit modernsten massen­spektromet­rischen Methoden haben Wissenschaftler aus Leipzig und Innsbruck die Bedeutung eines chemischen Reaktionsweges in der Atmosphäre aufgedeckt. Die Selbstreaktionen von Peroxyl-Radikalen wurden bisher unterschätzt und in Atmosphärenmodellen nicht berücksichtigt.

Die Erdatmosphäre besteht aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Aerosolen und zahlreichen Spurengasen. Die komplexen chemischen Prozesse zwischen diesen Stoffen lassen sich nur schwierig untersuchen und werden deshalb bis heute nicht zur Gänze verstanden. Beim CLOUD-Experiment am CERN wird die Atmosphäre in einer hochreinen Kammer realistisch nachgebildet. Unter Beteiligung der Arbeitsgruppe um Armin Hansel vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck konnten hier wichtige Prozesse bei der Partikel-Neubildung in der Atmosphäre bereits aufgeklärt werden. Um jedoch rasch ablaufende chemische Prozesse realistisch nachzubilden, reichen auch diese Untersuchungen nicht aus. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung in Leipzig hat der Physiker Armin Hansel nun die Reaktionen von Kohlenwasserstoffen im Labor untersucht. Die Forscher nutzten dazu modernste, in Innsbruck und Leipzig entwickelte massenspektrometrische Methoden, die bei dem Experiment zum ersten Mal zum Einsatz kamen. Dabei wurde der atmosphärische Abbau von aromatischen Verbindungen im Detail untersucht, der in urbanen Regionen eine wichtige Rolle spielt.

Mögliche Quelle von Aerosolen

Bei der Untersuchung kam eine spezielle in Leipzig entwickelte Apparatur zum Einsatz, in der eine geschichtete Strömung erzeugt wird, die verhindert, dass die Reaktionsprodukte rasch mit der Wand des Strömungsreaktors reagieren. Am Ende des Glaszylinders können so Reaktionsprodukte gemessen werden, die in den ersten acht Sekunden entstehen. „Wir können die in diesem Zeitfenster entstandene Reaktionsprodukte von Kohlenwasserstoffen und den Oxidationsmitteln wie Ozon und OH-Radikale messen“, erzählt Armin Hansel. Die Analyse der Messdaten machte ein überraschendes Detail sichtbar: Bisher war man davon ausgegangen, dass die entstehenden Peroxyl-Radikale nur sehr langsam miteinander reagieren. „Wir sehen in unseren Messergebnissen, dass hochoxidierte Peroxyl-Radikale in dieser relativ kurzen Zeit entstehen und miteinander kovalent gebundene Aufbauprodukte („Paare“) bilden, die das Kohlenstoffgerüst beider Peroxyl-Radikale beinhalten“, erzählt Armin Hansel. „Dies bedeutet auch, dass sie in kürzester Zeit nicht mehr volatil sind und als wirksame Quelle für sekundäre organische Aerosole von Bedeutung sein können.“

Bisher stark unterschätzt

„Unsere neuen Messmethoden ermöglichen es, die ersten Oxidationsprodukte unter fast natürlichen Bedingungen zu messen und damit die ersten Schritte der Oxidationskette im Detail mitzuverfolgen“, zeigt sich Hansel begeistert. „Das ist eine ganz neue Chemie, die noch nicht beobachtet wurde.“ Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Selbstreaktion von Peroxyl-Radikalen kaum Aufbauprodukte bildet. Diese Annahme ist offensichtlich nur für kleine kurzkettige Peroxyl-Radikale, die in der Vergangenheit untersucht wurden, richtig. „Die Selbstreaktion der Peroxyl-Radikale läuft so rasch ab, dass sie durchaus in Konkurrenz zur Reaktion mit Stickstoffmonoxid (NO) treten kann und damit auch für urbane Regionen relevant ist, wo Stickoxide mit relativ hoher Konzentration vorkommen.“ In Zukunft wollen die Forscher mit den neuen Methoden auch die Reaktionen von Kohlenwasserstoffen aus natürlichen Quellen untersuchen. 

Finanziell unterstützt wurden die Forschungen von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG.


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