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Quantifying the atmospheric implications of the solid phase and phase transitions of secondary organic aerosols

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Neues über einen mysteriösen, aber wichtigen Bestandteil atmosphärischer Partikel

Die Quantifizierung des Eintrags von sekundären organischen Aerosolen (SOA) hat entscheidende Bedeutung für die genaue Vorhersage der Auswirkungen auf das Klima und die Umweltbelastung. Anhand bahnbrechender und ergänzender Versuchs- und Modellierungsstudien konnten nun wichtige Wissenslücken geschlossen werden.

Klimawandel und Umwelt

Aerosole sind Nebel und Rauch sowie kommerzielle Produkte wie zum Beispiel Haarspray und Sprühfarbe. Dabei handelt es sich um Suspensionen aus Partikeln, die in Gas – auch in der Atmosphäre – dispergiert sind. Auch Wolkenbildung und Bestäubung sind das Ergebnis von Schwebeteilchen in der Erdatmosphäre. Während primäre organische Aerosole aus Quellen wie etwa der Vegetation und der Verbrennung von Brennstoffen in die Luft abgegeben werden, entstehen sekundäre organische Aerosole durch mehrstufige chemische Prozesse in der Atmosphäre. Im Rahmen des EU-finanzierten QAPPA-Projekts wurden innovative experimentelle und modellierende Methoden kombiniert. Damit konnte Licht in kritische Prozesse im Zusammenhang mit sekundären organischen Aerosolen unter relevanten atmosphärischen Bedingungen gebracht werden. Schwerpunkt waren sekundäre organische Aerosole biogenen Ursprungs in einem glasartigen (amorphen festen oder halbfesten) Zustand.

Interessante, aber weitgehend unerforschte Phasenzustandsübergänge bei sekundären organischen Aerosolen

Trennungsprozesse zwischen gasförmiger und fester sowie gasförmiger und flüssiger Phase sind kritische Faktoren für den Transport und die Verweildauer organischer Schadstoffe in der Atmosphäre, was wichtig für die Quantifizierung der Auswirkungen der sekundären organischen Aerosole auf Klimawandel und Luftverschmutzung ist. Bisher war der Phasenübergang bei sekundären organischen Aerosolen jedoch nur unzureichend erforscht, ebenso wie der Einfluss der glasartigen Phase auf verschiedene Prozesse in der Atmosphäre. Einer der Gründe für den Mangel an Daten besteht genau darin, dass es schwierig ist, an sie zu gelangen und sie zu integrieren. Projektkoordinatorin Annele Virtanen berichtet; „Die Freilandmessungen in verschiedenen Umgebungen und unter unterschiedlichen Bedingungen haben unsere Methodik in Frage gestellt. Neben technischen Verbesserungen mussten wir außerdem neu an die Datenanalyse herangehen, um die mehrdimensionale Abhängigkeit verschiedener Faktoren aufzuklären.“

Bisher unbekannte Abhängigkeiten kommen zum Vorschein

Aufbauend auf früheren zukunftsweisenden experimentellen und modellierenden Arbeiten, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, konnte das Team Hindernisse überwinden und die Grenzen der aus Messdaten gewonnenen Erkenntnisse weiter stecken. Wie Virtanen erläutert, „konnte QAPPA mit Erfolg die Auswirkungen der in amorpher fester oder halbfester Phase vorliegenden sekundären organischen Aerosole unter atmosphärisch relevanten Bedingungen aufklären und quantifizieren. Wir haben beobachtet, dass der vorherrschende Zustand der atmosphärischen sekundären organischen Aerosole bei niedrigerer Luftfeuchtigkeit die glasartige Phase ist. Erreicht die Luftfeuchtigkeit atmosphärische Werte, die in vielen Umgebungen relativ hoch sein können, verflüssigen sich die Partikel und der Einfluss der diffusionslimitierenden Partikelphase auf zentrale Prozesse nimmt ab.“ Den Ergebnissen zufolge wird bei Temperaturen oberhalb von null Grad Celsius die Abtrennung organischer Dämpfe vom Dampfdruck der sich abtrennenden Dämpfe bestimmt, was in Modellen der entscheidende Unsicherheitsfaktor ist. Außerdem wird bei diesen Temperaturen die Wasseraufnahme durch organische Aerosole nicht wesentlich von der glasartigen Phase beeinflusst. Im Gegensatz dazu ergaben die laufenden Versuche des Teams, dass die Wasseraufnahme und wahrscheinlich auch die Nukleation von Eis durch organische Aerosole bei Minusgraden durch den glasartigen Zustand und die diffusionslimitierende Partikelphase beeinflusst werden kann. Partikel, die als Keimbildungsstellen für Wolkentropfen und zur Eispartikelbildung dienen, beeinflussen den Niederschlag und die reflektierenden Eigenschaften der Wolken. Virtanen plant, die zukünftigen Anstrengungen auf niedrige Temperaturen und die Rolle der glasartigen sekundären organischen Aerosole bei der Eisnukleation zu konzentrieren. Aktuell schätzt Virtanen ein: „Auch wenn die physikalische Phase der sekundären organischen Aerosole bei vielen Prozessen in der natürlichen Umgebung unter den dort typischen Bedingungen keine große Rolle spielt, kann sie bei Labormessungen eine bedeutende Rolle spielen, was bei der Interpretation der Laborergebnisse berücksichtigt werden sollte. Ganz besonders gilt das, wenn sie bei der Entwicklung und Verbesserung von Parametrisierungen für Modelle zum Einsatz kommen.“

Schlüsselbegriffe

QAPPA, sekundäre organische Aerosole (SOA), Phase, glasartig, atmosphärisch, Partikel, Aerosol, Temperatur, Zustand, Atmosphäre, Nukleation, Eis, Trennung, Gas, amorpher Feststoff, Modellierung

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