Fortentwicklung organischer Aerosole in der Atmosphäre

Abbildung 1 unten: Messstation im Abendlicht: Am Taunus-Observatorium der Goethe-Universität Frankfurt untersuchen die Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie, wie die Nähe eines Ballungsgebietes die Luft verändert. Hier analysieren sie mit einem Massenspektrometer auch die organischen Komponenten von Aerosolen. [Bild: Johannes Schneider / MPI für Chemie]

Abbildung 2 unten: Das Massenspektrometer in der Messstation auf dem Jungfraujoch. [Foto: PSI]

Viele Ursachen, eine Wirkung - nach diesem Prinzip beeinflussen organische Schwebteilchen in der Atmosphäre vermutlich das Klima. Solche Schwebteilchen, Aerosole genannt, spielen bei der Bildung von Wolken und Niederschlag eine große, bislang aber nicht völlig geklärte Rolle. Doch organische Aerosole nehmen sehr ähnliche Eigenschaften an, wenn sie eine Weile in der Luft verweilen und dabei chemisch altern - egal ob es sich um organische Stoffe handelt, die Pflanzen, Dieselmotoren oder Industrieanlagen freisetzen. Das hat ein internationales Forscherteam, darunter auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie und der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, nun festgestellt. Die Forscher schließen daraus, dass die Aerosole auch auf ähnliche Weise ins Klima eingreifen. Das macht es leichter, ihren Beitrag in Klimamodellen zu berücksichtigen. Bislang gingen Klimaforscher davon aus, dass die Wirkung der Aerosole von ihrer Quelle und ihren chemischen Veränderungen in der Atmosphäre abhängt.

Neue Erkenntnisse machen Klimaforschern das Leben nicht immer leichter - im Gegenteil: Meist stellt sich mit jedem neuen Detail heraus, dass das Klima komplizierter ist als angenommen. Von daher haben die Wissenschaftler von fast dreißig Forschungseinrichtungen weltweit jetzt einen besonderen Grund zur Freude. Ihre Erkenntnisse vereinfachen die Lage nämlich ausnahmsweise. Die Forscher haben organische Aerosole von ganz unterschiedlichen Quellen analysiert. Dabei haben sie beobachtet, dass sich die Partikel anders als bislang angenommen in mancher Hinsicht ähneln. Vor allem in den Eigenschaften, die ihren Einfluss auf die Wolkenbildung und somit auf das Klima bestimmen. Und der könnte die Erderwärmung bremsen, weil die organischen Aerosole vermutlich die Bildung von Wolken fördern.

Das Forscherteam hat an 30 Messstationen in der nördlichen Hemisphäre die Zusammensetzung der Aerosole analysiert. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie und der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz steuerten dazu Analysen aus ihrer Heimatstadt und aus dem Taunus bei. Dort wie auch an allen anderen Untersuchungsorten fanden die Forscher in den Partikeln zwar unterschiedlich hohe Anteile an verschiedenen anorganischen Substanzen wie Sulfaten und Nitraten und organischen Stoffen. "Wir waren aber überrascht, wie sehr sich die organischen Bestandteile der Aerosole ähnelten, egal ob sie aus dem Zentrum von Mexiko City, einer Insel Japans, dem finnischen Wald oder den Schweizer Alpen stammten", sagt Jose-Luis Jimenez, Wissenschaftler an der Universität von Colorado in Boulder und Leiter des internationalen Teams.

Organische Stoffe machen je nach Messort 20 bis 90 Prozent aller Aerosole aus, die kleiner als ein Mikrometer sind. Die Schwebteilchen - nicht nur organische Partikel, sondern auch Ruß und anorganische Sulfat- oder Nitratteilchen - tragen zum einen zur Luftverschmutzung bei und verursachen vor allem in smog-geplagten Städten Erkrankungen der Atemwege. Zum anderen beeinflussen sie das Klima, weil sie Sonnenlicht reflektieren oder aufnehmen, und die Atmosphäre so kühlen beziehungsweise aufheizen. Zudem dienen sie als Kondensationskeime für Wolken- und Regentröpfchen. Wolken wiederum reflektieren Sonnenlicht und bremsen so die Erderwärmung. Bislang gingen Atmosphärenforscher davon aus, dass organische Substanzen in Aerosolen die Wolkenbildung nicht fördern. Doch das stimmt nicht, wie die neuen Ergebnisse zeigen.

In den Feldmessungen und Laborversuchen untersuchte das Team die organischen Komponenten eingehender. Demnach verwischen chemische Reaktionen in der Atmosphäre die Unterschiede, die zunächst zwischen den freigesetzten organischen Stoffen bestehen. "Den Einfluss der organischen Aerosole auf das Klima zu kalkulieren wird daher leichter", sagt Stephan Borrmann, Professor für experimentelle Meteorologie an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie: "Auch wenn sie ursprünglich aus unterschiedlichen Quellen stammen, haben am Ende wahrscheinlich alle einen sehr ähnlichen Effekt."

Und dieser Effekt dürfte klimafreundlicher sein als bislang angenommen. Denn wie die Forscher herausgefunden haben, entstehen dabei vor allem Stoffe, an denen Wolkentröpfchen besser kondensieren als an den Ausgangsstoffen. "Die organischen Aerosole tragen also womöglich mehr zur Wolkenbildung bei als wir bislang dachten", sagt Johannes Schneider, der am Max-Planck-Institut für Chemie an der Untersuchung mitgearbeitet hat.

Abbildung 3: Aerosole stammen aus sehr unterschiedlichen Quellen. In der aktuellen Untersuchung widmete sich ein internationales Team den sekundären Aerosolen, die erst durch die chemische Umwandlung flüchtiger organischer Verbindungen entstehen. Bei diesem Alterungsprozess gleichen sich die Eigenschaften an, die für die Klimawirkung der Schwebteilchen ausschlaggebend sind [Bild: Johannes Schneider / MPI für Chemie].

Die organischen Substanzen, die zunächst in die Atmosphäre gelangen, sind so unterschiedlich wie ihre Quellen: Dieselfahrzeuge stoßen Reste von Treibstoff aus, Bäume setzen gasförmige Terpene frei, und aus Industrieanlagen entweicht noch eine Menge anderer Substanzen. Je länger sich diese Stoffe in der Atmosphäre befinden, desto stärker werden sie oxidiert. Dabei entstehen zwar je nach Ausgangsstoff andere Substanzen, in allen Reaktionsprodukten der Atmosphärenchemie steigt allerdings der Sauerstoffgehalt. Das führt dazu, dass die Verbindungen sich bevorzugt an vorhandenen Teilchen anlagern oder sogar neue Teilchen bilden. Dabei vermischen sie sich auch mit anorganischen Stoffen.

Am Ende kommen so Partikel heraus, die sich zumindest in ihren physikalischen Eigenschaften sehr ähneln. Und die sind für die Klimawirkung entscheidend - zum Beispiel für die Wolkenbildung: Die Forscher haben untersucht, wie gut die Partikel Wasser aufnehmen - je mehr Wasser sie aufsaugen, desto effektiver sollten sie als Kondensationskeime für Wolken und Regentropfen wirken. Maßgeblich dafür ist demnach ihr Sauerstoffgehalt, also wie stark sie bereits oxidiert wurden.

Dass die Partikel, die im Labor mehr Wasser aufnehmen, in der Atmosphäre tatsächlich auch zur Wolkenbildung beitragen, wollen die Forscher am Mainzer Max-Planck-Institut in weiteren Untersuchungen beweisen. "Wir wollen mit einem Forschungsflugzeug Wolkentröpfchen sammeln und analysieren, ob wir darin Aerosole mit einem hohen Anteil chemisch gealterter organischer Substanzen finden", sagt Johannes Schneider: "Erst dann wissen wir, ob diese die Wirkung haben, von der wir jetzt ausgehen." [PH]

Das Paul Scherrer Institut gibt hierzu bekannt:

Rätsel geknackt: Wie Feinstaub erst in der Luft entsteht

Forschende des Paul Scherrer Instituts, der University of Colorado und 29 weiterer Forschungseinrichtungen aus verschiedenen Ländern haben die Zusammensetzung der organischen Anteile des Feinstaubs für verschiedene Regionen der Welt untersucht und bestimmt, aus welchen Ursprungssubstanzen er sich jeweils bildet. So konnte erstmals geklärt werden, welche Rolle einzelne Bestandteile der Abgase für die Feinstaubbildung spielen.

Feinstaub macht krank und Feinstaub beeinflusst das Klima. Dabei entsteht nur ein Teil des Feinstaubs unmittelbar bei der Verbrennung von Treibstoffen oder Holz - der Rest bildet sich erst in der Atmosphäre aus unterschiedlichen Substanzen, die zum Teil aus Abgasen, aber auch aus natürlichen Quellen wie zum Beispiel Wäldern, stammen. Forschende des Paul Scherrer Instituts, der University of Colorado und 29 weiterer Forschungseinrichtungen aus verschiedenen Ländern haben nun die Zusammensetzung der organischen Anteile des Feinstaubs für verschiedene Regionen der Welt untersucht und bestimmt, aus welchen Ursprungssubstanzen er sich jeweils bildet. So konnte erstmals geklärt werden, welche Rolle einzelne Bestandteile der Abgase für die Feinstaubbildung spielen. Die Untersuchungen dürften helfen, in Zukunft gezielt die Feinstaubbildung zu vermeiden und dadurch unter anderem zu besserer Luft in den Innenstädten beizutragen. Sie werden auch eine wichtige Rolle für zukünftige Klimamodelle spielen. Die Ergebnisse erscheinen am 11. Dezember im angesehenen Wissenschaftsjournal Science.

Komplexe Vorgänge in der Atmosphäre - aufs Wesentliche reduziert

Eine grosse Vielfalt an chemischen Vorgängen, bei denen grössere Moleküle in kleinere zerfallen können oder sich kleine Moleküle zu grösseren zusammenschliessen und an Feinstaubkörnchen anlagern können, findet laufend in der Atmosphäre statt. Um die wesentlichen Veränderungen der organischen Materie in der Atmosphäre zu verstehen, ist es aber nicht nötig, jede einzelne der vielen Tausend Substanzen zu verfolgen, die in der Luft enthalten sind. Wie die Forschenden zeigen konnten, reichte es, wenige bestimmte chemische Eigenheiten der Substanzen zu untersuchen, die für das Verhalten in der Atmosphäre entscheidend sind. "Zum Beispiel ist das Verhältnis von Sauerstoff- zu Kohlenstoffgehalt in einer Substanz wesentlich dafür, ob diese Wasser aufnimmt und damit, ob die Feinstaubkörnchen Keime für die Wolkenbildung sein können", erklärt André Prévôt, der das Projekt federführend am Paul Scherrer Institut betreut.

Im PSI-Labor Entstehung von Feinstaub nachgestellt

Die stete chemische Umwandlung in der Atmosphäre führt auch dazu, dass der Feinstaub in fast allen Weltgegenden ähnlich aufgebaut ist - unabhängig von den genauen Ausgangsstoffen. In ihrer Arbeit zeigen die Forschenden, dass es dennoch möglich ist, die Eigenschaften der Ausgangsstoffe aus dem Feinstaub zu rekonstruieren. Dazu haben sie zuvor in der Smogkammer des Paul Scherrer Instituts die Veränderungen einzelner Stoffe in der Atmosphäre simuliert. "Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnten wir mit einem aufwendigen statistischen Verfahren bestimmen, welcher Art die Ausgangsstoffe waren, aus denen der Feinstaub entstanden ist. Mit zusätzlichen Verfahren wie der C14-Methode kann man dann auch die genauen Quellen bestimmen - ob zum Beispiel die Substanzen aus dem Wald oder aus Abgasen stammen" erklärt Urs Baltensperger, Leiter des Labors Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut.

Feinstaub an verschiedenen Orten: Gefahr für die Gesundheit und Keim für die Wolkenbildung

Die detaillierten Untersuchungen der Feinstaubzusammensetzung machte ein neuartiges Gerät - ein spezielles Massenspektrometer - möglich, mit dem man minutengenau die Luftzusammensetzung bestimmen kann. Insgesamt haben die Forschenden an 26 verschiedenen Orten der Nordhalbkugel gemessen. Das PSI war für zwei sehr verschiedene Orte in der Schweiz zuständig: die Zürcher Innenstadt und das Jungfraujoch. Die Zürcher Messung war dabei vor allem wegen des Einflusses von Abgasen auf die Gesundheit wichtig, die Messung auf dem Jungfraujoch konzentrierte sich auf Fragen der Wolkenbildung.

Die Arbeit der PSI-Forschenden wurde vom Schweizerischen Nationalfonds SNF unterstützt.

Zusatzinformationen:

J. L. Jimenez et al.:
Evolution of Organic Aerosols in the Atmosphere.
In: Science; Vol. 326. no. 5959, pp. 1525 - 1529, (2009), DOI 10.1126/science.1180353

Meinrat O. Andreae:
A New Look at Aging Aerosols.
In: Science; Vol. 326. no. 5959, pp. 1493 - 1494, (2009), DOI 10.1126/science.1183158

Quellen: Max-Planck-Gesellschaft, MPG

Paul Scherrer Institut, PSI, Schweiz

Aktualisiert am 11.12.2009.