Chemie der Ionosphäre

Die renommierte Fachzeitschrift "Science" hat am 15. Januar 2010 Forschungsergebnisse amerikanischer Wissenschaftler veröffentlicht, die grundlegende neue Erkenntnisse über die Chemie der Ionosphäre liefern könnten.

In einem "Perspectives"-Artikel in derselben Ausgabe würdigen, kommentieren und diskutieren die Göttinger Chemiker Prof. Dr. Bernd Abel und Katrin Siefermann die Ergebnisse ihrer amerikanischen Kollegen.

Gleichzeitig weisen sie darauf hin, dass Ergebnisse aus Experimenten der Grundlagenforschung oft nicht direkt auf die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre übertragbar sind.

(pug) Funkverkehr und Radioempfang auf der Erde wären nicht denkbar ohne die Ionosphäre in etwa 70 bis 90 Kilometern Höhe: Aufgrund der intensiven kurzwelligen Sonnenstrahlung bilden sich hier verstärkt ionisierte, also elektrisch geladene Teilchen. Die Schicht wirkt dadurch für Radiowellen wie ein Reflektor und ermöglicht so deren Ausbreitung auf der Erde. Verändert sich die Ladungsverteilung in der Ionosphäre, kann es zu Störungen im Funkverkehr kommen. Amerikanische Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass ionisiertes Stickstoffmonoxid in einer ganz bestimmten Anordnung von Wassermolekülen im Labor durch chemische Reaktion sehr effizient neue, positiv geladene Wasseraggregate erzeugen kann. Könnte dies eine Schlüsselreaktion der Ionosphäre sein, die die Ladung dort maßgeblich beeinflusst? Ihre Ergebnisse, die grundlegende neue Erkenntnisse über die Chemie der Ionosphäre liefern könnten, erscheinen am 15. Januar 2010 in der renommierten Fachzeitschrift "Science". In einem "Perspectives"-Artikel in derselben Ausgabe würdigen, kommentieren und diskutieren die Göttinger Chemiker Prof. Dr. Bernd Abel und Katrin Siefermann die Ergebnisse ihrer amerikanischen Kollegen. Gleichzeitig weisen sie darauf hin, dass Ergebnisse aus Experimenten der Grundlagenforschung oft nicht direkt auf die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre übertragbar sind.

Um herauszufinden, wie ionisiertes Stickstoffmonoxid mit einer unterschiedlichen Anzahl von Wassermolekülen reagiert, haben die amerikanischen Wissenschaftler die Temperatur der "Wassernetzwerke" im Labor auf unter fünf Kelvin gesenkt und diese mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie untersucht. "Die Ergebnisse könnten helfen, eine zentrale Reaktion in der Ionosphäre zu verstehen. Ob die Reaktion tatsächlich die Ladungszusammensetzung der Atmosphäre beeinflusst und somit spürbar für den Menschen auf der Erde ist, muss jedoch noch von weiteren Untersuchungen bestätigt werden. Es ist noch unklar, ob die speziellen Anordnungen der Wassernetzwerke um das ionsierte Stickstoffmonoxid unter realen Atmosphärenbedingungen von 200 Kelvin und höherem Druck ihre Struktur behalten und wie der genaue Mechanismus der Reaktion verläuft", so Prof. Abel.

Prof. Dr. Bernd Abel ist Mitglied der Graduiertenschule für Neurowissenschaften und Molekulare Biowissenschaften sowie Principal Investigator des Courant Forschungszentrums "Nanospektroskopie und Röntgenbildgebung" der Universität Göttingen. Beide Einrichtungen werden im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert. Seit 2008 ist er außerdem Professor für Physikalische Chemie und Reaktionsdynamik an der Universität Leipzig. Katrin Siefermann ist Mitglied des Graduiertenkollegs 782 am Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen.

Pressemitteilung der Universität Leipzig

Stickstoffmonoxid - schadet es dem Radioempfang?

Leipziger Wissenschaftler diskutieren in "Science" Forschungsergebnisse zur Chemie der Ionosphäre.

Wissenschaftler in den USA haben kürzlich eine spezielle Reaktion des ionisierten Stickstoffmonoxids mit Wasser im Labor unter speziellen Bedingungen untersucht. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse am 15. Januar 2010 in der renommierten Fachzeitschrift "Science". In einem Perspectives-Artikel derselben Ausgabe würdigten und kommentierten die Leipziger Chemiker Prof. Dr. Bernd Abel und Katrin Siefermann die Ergebnisse ihrer amerikanischen Kollegen und diskutierten, welche Auswirkungen diese Ergebnisse auf die Chemie der Ionosphäre - und damit für das Leben der Menschen - haben könnte.

Aufgefordert, die veröffentlichten Ergebnisse zu bewerten und auch aus anderem Blickwinkel zu beleuchten, hatten die Herausgeber die beiden Leipziger Experten, weil diese ebenfalls auf diesem Gebiet forschen und Prof. Abel in "Science" einen thematisch angrenzenden Artikel publiziert hatte.

Das Neue an der Entdeckung seiner Kollegen erläutert Abel so: "Sie haben herausgefunden, dass ionisiertes, also positiv geladenes Stickstoffmonoxid in einer ganz bestimmten Anordnung von Wassermolekülen durch chemische Reaktion sehr effizient neue, positiv geladene Wasseraggregate erzeugen kann. Das haben die Forscher im Labor passieren lassen, aber es könnte prinzipiell auch in der der Ionosphäre, also der äußersten Schicht der Atmosphäre, geschehen. Das hätte Auswirkungen auf Funkverkehr und Radioempfang auf der Erde, denn ohne die Ionosphäre in etwa 70 bis 90 Kilometern Höhe wäre der so nicht möglich. Sie spielt eine ganz spezielle Rolle: Aufgrund der intensiven kurzwelligen Sonnenstrahlung bilden sich hier verstärkt ionisierte Teilchen. Die Schicht wirkt dadurch für Radiowellen wie ein Reflektor und ermöglicht so deren Ausbreitung über den Globus. Verändert sich aber die Ladungsverteilung in der Ionosphäre - beispielsweise durch ionisiertes Stickstoffmonoxid - kann es dementsprechend zu Störungen im Funkverkehr kommen." Nun stelle die Frage, ob die Reaktion von Stickstoffmonoxid-Ionen mit einzelnen Wassermolekülen eine bislang unverstandene Schlüsselreaktion der Ionosphäre sein könnte, die die Ladung dort durch die Reaktionsprodukte maßgeblich beeinflusst.

Um herauszufinden, wie ionisiertes Stickstoffmonoxid mit einer unterschiedlichen Anzahl von Wassermolekülen reagiert, haben die amerikanischen Wissenschaftler die Temperatur der "Wassernetzwerke" im Labor auf unter fünf Kelvin - also etwa minus 270 Grad Celsius - gesenkt und diese mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie untersucht. Und hier setzten auch Abels Überlegungen an: "Die Ergebnisse könnten zwar helfen, eine zentrale Reaktion in der Ionosphäre zu verstehen. Aber ob die Reaktion tatsächlich die Ladungszusammensetzung der Atmosphäre beeinflusst und somit spürbar für den Menschen auf der Erde ist, muss noch in weiteren Untersuchungen ergründet werden. Noch ist unklar, ob die speziellen Anordnungen der Wassernetzwerke um den Reaktionspartner, also des Stickstoffmonoxid-Ions NO+, unter realen Atmosphärenbedingungen genauso entstehen und stabil sind wie im Labor. Immerhin herrschen in der realen Ionosphäre mit 200 Kelvin - das sind rund minus 70 Grad Celsius - und höherem Druck ganz andere Bedingungen", gibt Abel zu bedenken.

Auch an der Universität Leipzig, am Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, arbeiten Wissenschaftler an Themen der Atmosphärenforschung. "Auf absehbare Zeit wird es der Wissenschaft noch nicht darum gehen, die Bedingungen in der Atmosphäre zu beeinflussen", so Abel. "Noch sind wir damit beschäftigt, Prozesse zu beobachten, im Labor nachzustellen und Mechanismen zu verstehen. Auf der Basis dieser Forschungsergebnisse können wir Regeln formulieren, die uns helfen, Prozesse zu beschreiben und Voraussagen zu treffen." Mit diesem Herangehen sind beispielsweise Aussagen zur globalen Erwärmung zu untermauern oder zu widerlegen, ist zu präzisieren, welche Wirkungen Ozon wirklich hat und welche Stoffe tatsächlich als Schadstoffe fungieren. Um die Forschungsbedingungen der mit dieser Problematik befassten Physiker und Chemiker der Universität Leipzig zu optimieren, werden derzeit neue Labors eingerichtet.

Prof. Dr. Bernd Abel aus dem Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig ist Mitglied der Graduiertenschule BuildMoNa, die im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert wird sowie im Profilbildenden Forschungsbereich 1 der Universität. Seit 2008 ist er Professor für Physikalische Chemie und Reaktionsdynamik an der Universität Leipzig. Katrin Siefermann ist Mitglied des Graduiertenkollegs 782 am Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen.

Katrin R. Siefermann, Bernd Abel:
Ion Chemistry Mediated by Water Networks.
In: Science; Vol. 327. no. 5963, pp. 280 - 281, 15. Januar 2010, DOI 10.1126/science.1184555

Rachael A. Relph, Timothy L. Guasco, Ben M. Elliott, Michael Z. Kamrath, Anne B. McCoy, Ryan P. Steele, Daniel P. Schofield, Kenneth D. Jordan, Albert A. Viggiano, Eldon E. Ferguson, Mark A. Johnson:
How the Shape of an H-Bonded Network Controls Proton-Coupled Water Activation in HONO Formation.
In: Science; Vol. 327. no. 5963, pp. 308 - 312, 15. Januar 2010, DOI 10.1126/science.1177118

Quelle: Georg-August-Universität, Göttingen

Aktualisiert am 16.01.2010.

Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2010/jan10/chemie-der-ionosphaere.php