Erkenntnisse zur Rolle der Oberflächen von Aerosolpartikeln
Schwebeteilchen sind überall und wirken sich unterschiedlich auf den Menschen aus, von Virenüberträgerstoffen bis zu Faktoren für den Klimawandel. Der Zusammenhang zwischen den Partikeln, die wir emittieren, und der Umwelt ist komplex und das Wissen zu dieser Dynamik muss dringend ausgeweitet werden. Hier setzte das Team des Projekts SURFACE an, das über den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde. „Jeder einzelne Wolkentropfen ist auf der Oberfläche eines Aerosolpartikels entstanden. Aerosole und Tröpfchen sind die Medien für Chemie der kondensierten Phase in der Atmosphäre. Allerdings bestehen große Wissenslücken zu ihrer Bildung, Umwandlung und den Wechselwirkungen mit dem Klima“, sagt die Hauptforscherin Nønne Prisle(öffnet in neuem Fenster), Professorin am Zentrum für Atmosphärenforschung(öffnet in neuem Fenster).
Chemische Reaktionen und physikalische Umwandlungen in der Atmosphäre
In der Atmosphäre sind viele unterschiedliche chemische Stoffe zu finden, die jeweils in sehr geringen Mengen vorkommen. Mit diesen können unzählige unterschiedliche chemische Reaktionen und physikalische Umwandlungen auftreten. „Die Reaktionen und Umwandlungen passieren alle gleichzeitig, aber auf unterschiedlichen Zeitskalen, sodass es quasi unmöglich ist, sie mit Experimenten oder theoretisch zu entwirren“, erklärt Prisle. Bei Aerosolen sind Analysen ähnlich schwierig. Ihre Größe ist sehr variabel, sie enthalten viele verschiedene, dicht gedrängte Moleküle und sind noch immer so klein, dass insgesamt sehr wenig Materie vorliegt. Prisle berichtet: „Es gibt Instrumente, mit denen die Zusammensetzung der Oberfläche bestimmt werden kann. Aber es ist erst seit kurzem möglich, sie für die Oberfläche von Stoffen einzusetzen, die für die Atmosphäre relevant sind. Die Durchführung und Analyse dieser Experimente sind sehr schwierig, wir waren mit als erste erfolgreich.“ Eine der wichtigsten Methoden im SURFACE-Projekt war synchrotronbasierte Photoelektronenspektroskopie(öffnet in neuem Fenster). Dabei werden mächtige Röntgenstrahlen in großen Synchrotronanlagen generiert, um Proben auf molekularer Ebene zu untersuchen. „Durch die Röntgenstrahlen werden Elektronen von den Molekülen in den Proben gelöst. Wir sammeln diese Elektronen und messen ihre Geschwindigkeit. Dann können wir die Art der Moleküle in der Oberfläche und ihre Umgebung ableiten. Ausgehend von der Anzahl der erkannten Elektronen können wir die Anzahl der einzelnen Arten von Molekülen bestimmen“, erläutert Prisle. Das Projektteam hat anschließend Aerosolproben in atmosphärischen Simulationskammern erzeugt. „Mit verschiedenen Instrumenten, von denen einige weltweit einzigartig sind, haben wir ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften und die Möglichkeit geprüft, Wolkentropfen zu bilden oder sich auf die atmosphärische Chemie auszuwirken.“ Nachdem die physikalischen Eigenschaften der Proben bekannt waren, hat das SURFACE-Team recheneffiziente Möglichkeiten entwickelt, diese in Klimamodelle zu integrieren. „Aus den Modellen geht hervor, dass die Oberflächeneigenschaften sich auf die Wirkung der Aerosole auf globaler Ebene auswirken“, berichtet Prisle.
Einfluss oberflächenspezifischer Eigenschaften auf die Aerosoleffekte
SURFACE wurde an der Universität Oulu(öffnet in neuem Fenster) in Finnland durchgeführt. Die Forschenden konnten einen eindeutigen und erheblichen Einfluss der oberflächenspezifischen Eigenschaften auf die Aerosoleffekte nachweisen, auf jeder Ebene. „Diese Effekte sind wie Fingerabdrücke“, sagt sie. „Mit unserer Forschung haben wir eine ganz neue Dimension aufgedeckt, die beachtet werden sollte, zum Beispiel die chemische Zusammensetzung und der physikalische Zustand, wenn wir die Effekte von Aerosolen in der Atmosphäre deuten und vorhersagen“, ergänzt Prisle.
Schlüsselbegriffe
SURFACE, Oberflächeneigenschaften, Aerosolpartikel, Röntgenstrahlen, Atmosphäre, Wolken, Tröpfchen, Schwebeteilchen, Klima, Synchrotron
