Wichtiger Prozess für Wolkenbildung aus Gasen entschlüsselt

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Beim Entstehen von Wolken spielen Partikel, die sich aus Gasen bilden können, eine große Rolle. An diesem Prozess ist auch eine Gruppe schwerflüchtiger Gase beteiligt, die in der Atmosphäre durch Oxidationsprozesse gebildet werden. Jetzt konnte erstmals ein zusätzlicher Reaktionsweg ausgehend von Reaktionen des Hydroxylradikals nachgewiesen werden, der erklärt, weshalb sich diese Gase vor allem tagsüber unter Sonnenlicht bilden. Zu diesem Ergebnis kommt eine gemeinsame Studie des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), der Universität Helsinki und der Universität Kopenhagen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der tageszeitabhängigen Partikel- und nachfolgenden Wolkenbildung in der Atmosphäre bei, so die Forschenden im Fachjournal „Nature Communications“.

Wolken sind nach wie vor der größte Unsicherheitsfaktor bei allen Klimaprojektionen: Ohne ein besseres Verständnis der Prozesse um die Wolkenbildung ist es daher nicht möglich, genauer abzuschätzen, wie sich das Klima in den nächsten Jahrzehnten entwickeln wird. Die Bildung sekundärer organischer Aerosolpartikel und deren Auswirkungen auf die Wolkenbildung gehören aktuell zu den brennendsten Fragen in der Atmosphärenforschung. Ein Meilenstein dabei markierte der Nachweis von extrem schwer flüchtigen organischen Verbindungen aus der Ozonreaktion von biogenen Emissionen aus Wäldern, der 2014 Dr. Mikael Ehn von der Universität Helsinki zusammen mit seinen KollegInnen in Jülich und Leipzig gelang. Über die Existenz diese Gase wurde vorher nur theoretisch spekuliert. Inzwischen sind sie als hochoxidierte multifunktionelle organische Verbindungen (auf Englisch „highly oxidized multifunctional organic compounds“/ HOMs ) anerkannt.

Der damals nachgewiesene Reaktionsweg über die Ozonreaktion konnte vor allem nicht die Unterschiede zwischen Tag und Nacht bei der HOM-Bildung widerspiegeln. Den AtmosphärenchemikerInnen war also klar: Neben dem bekannten muss es noch einen weiteren, bisher unbekannten Reaktionsweg geben. „Mit Hilfe neuer Ionisierungsmethoden gelang es uns jetzt zu belegen, dass für die Bildung der HOM-Gase der Reaktionsweg über Hydroxylradikale mindestens genauso wichtig ist wie der Reaktionsweg über die Ozonolyse“, erklärt Dr. Torsten Berndt vom TROPOS, der die Studie geleitet hat. „Die Kooperation mit Wissenschaftlern der Theoretischen Chemie in Helsinki und Kopenhagen sorgte auch dafür, dass dieser wichtige Prozess, der letztendlich für die Wolkenbildung bedeutsam ist, auch auf molekularer Ebene mechanistisch verstanden wurde.“

Die Entdeckung ist ein weiterer Erfolg der bisher sehr ergiebigen Kooperation zwischen deutschen und skandinavischen Wissenschaftlern, der erst durch den Dreiklang Theorie-Labor-Feld möglich wurde. Im Labor des TROPOS in Leipzig konnten die chemischen Reaktionen in einem Freistrahlexperiment nachgewiesen werden. Die TROPOS-Station in Melpitz bei Leipzig und die Station SMEAR II der Universität Helsinki im finnischen Hyytiäla lieferten Felddaten aus der Atmosphäre, welche die Laborbefunde unterstützen. Und die Experten der Theoretischen Chemie an den Universitäten Kopenhagen und Helsinki lieferten wichtige Beiträge zur mechanistischen Erklärung des Prozesses, der möglicherweise von globaler Bedeutung für das Klima der Erde ist und Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme hat.

Während Ozon permanent in der Atmosphäre vorhanden ist und nicht stark zwischen Tag und Nacht schwankt, bilden sich die Hydroxylradikale nur bei Sonneneinstrahlung. Der Nachweis des Reaktionsweges über Hydroxylradikale erklärt deshalb die starken Unterschiede bei den sogenannten HOM-Gasen zwischen Tag und Nacht und der damit verbundenen Partikel- und nachfolgenden Wolkenbildung.

🔸Publikation:🔸
Torsten Berndt, Stefanie Richters, Tuija Jokinen, Noora Hyttinen, Theo Kurten, Rasmus V. Otkjaer, Henrik G. Kjaergaard, Frank Stratmann, Mikko Sipilä, Markku Kulmala & Mikael Ehn (2016): Hydroxyl radical induced formation of highly oxidized organic compounds. Nat. Commun. 7, 13677 doi: 10.1038/ncomms13677
https://dx.doi.org/10.1038/ncomms13677

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.