Natürliche und von Menschen verursachte Emissionen von Aminen könnten die Bildung von Partikeln in der Atmosphäre beeinflussen - und somit unser Klima. Dank neuer Messmethoden mit bisher unerreichter Genauigkeit gelang die Beschreibung der Partikelbildung aus Aminen und Schwefelsäure auf molekularer Ebene. Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts (PSI) trugen mit ihren hochempfindlichen Messungen der Amine sowie der Bestimmung des Grössenwachstums der neu gebildeten Partikel massgeblich dazu bei. Die Forschenden berichteten darüber im Wissenschaftsjournal Nature [vgl. Artikelhinweis unten].
Die Bildung von neuen Partikeln in der Atmosphäre, oder Nukleation, wie die Wissenschaftler sie nennen, birgt noch zahlreiche Rätsel. Soeben konnte eines gelüftet werden, dank neuer Messungen des CLOUD-Experiments am CERN. CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) untersucht seit 2006 den Einfluss kosmischer Strahlung auf die Bildung dieser Partikel. Im Projekt arbeiten 18 Institute aus neun Ländern zusammen. Auch PSI-Wissenschaftler sind massgeblich daran beteiligt und wesentliche Bestandteile der Konstruktion der Klimakammer wurden am PSI entwickelt.
Wasserdampf kann nicht ohne weiteres zu den Wassertröpfchen kondensieren, aus denen sich Wolken bilden. Er braucht Hilfsmittel, so genannte Aerosole. Das sind winzige Teilchen, die in der Luft schweben. An ihnen lagern sich Wassermoleküle schichtweise an. In einem Kubikzentimeter Luft befinden sich 10 - 1000 dieser Kondensationskeime. Bekannt ist, dass ihr Vorhandensein bedeutende Auswirkungen auf das Klima hat. Einerseits tragen sie zur Wolkenbildung bei, andererseits reflektieren sie Sonnenenergie ins Weltall zurück. Beides wirkt der Erderwärmung entgegen. Noch ist in weiten Teilen nicht verstanden, wie sich diese Aerosole bilden. Das Ganze ist ein grosses Puzzlespiel: Welche Verunreinigungen tragen an welchem Ort wie stark zur Nukleation bei?" beschreibt Urs Baltensperger, Leiter des Labors für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut und Mitglied der wissenschaftlichen Leitung von CLOUD, die Herausforderung.
Amine haben unerwartet wichtige Rolle
In der CLOUD-Klimakammer konnte nun erstmals nachgewiesen werden, wie wichtig das Vorhandensein winzigster Anteile der Stoffgruppe der Amine für die Aerosolbildung ist. Amine sind eng mit Ammoniak verwandt. "Wir haben Amine in so geringer Konzentration in die Luft gegeben, dass man sie mit den bisher gängigen Methoden gar nicht hätte messen können", berichtet Urs Baltensperger. "Dafür mussten wir am Paul Scherrer Institut in einem ersten Schritt erst einmal ausreichend empfindliche Messmethoden für CLOUD entwickeln. Dann erst konnten wir mit den zwei Jahre dauernden Messungen beginnen, deren Ergebnisse nun in "Nature" vorliegen." Baltensperger weiter: "Schon bei einer Konzentration von einem Aminmolekül auf 1 Trillion Luftteilchen konnte eine Nukleation unter natürlichen Konzentrationen von Schwefelsäure beobachtet werden. Solch geringe Mengen kommen in der Atmosphäre vielerorts vor."
Es zeigte sich nun, dass die Aerosolbildung speziell bei sehr geringen Konzentrationszunahmen enorm ansteigt. In diesen tiefen Spurenbereichen hatte man bisher nicht messen können und war fälschlicherweise von einem linearen Anstieg ausgegangen.
Amine sind bekannt dafür, sich gern mit Schwefelsäure zu verbinden, um Aerosole zu bilden. Dass der Anstieg bei höheren Konzentrationen weniger stark ist, hängt auch damit zusammen, dass es in der Atmosphäre oft nicht genug Schwefelsäure-Moleküle gibt, an die sich die Amine binden könnten. Die nun gefundene Partikelerzeugungsrate ist um den Faktor tausend höher als die von Ammoniak und liegt damit gleich hoch wie die Bildungsraten, die man in der realen Atmosphäre tatsächlich beobachtet. Der Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Geschwindigkeit der Partikelerzeugung dagegen war minim.
Grundlagen des Erfolges
Eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg der Messungen ist gemäss Baltensperger, dass "beim CLOUD-Experiment erstmals so saubere und genau kontrollierte Bedingungen in der Luft einer Klimakammer hergestellt werden können, dass der Einfluss selbst minimaler Faktoren auf die Aerosolbildung gemessen werden kann. Nirgends auf der Welt sind je derart exakte Messungen erreicht worden. Bisher verfälschten auch bei grösster Sorgfalt stets kleine Verunreinigungen die Messergebnisse." Ein weiterer Baustein zum Erfolg war die Entwicklung von noch empfindlicheren Messmethoden zur Bestimmung der Konzentrationen der Gase und der Zusammensetzung der sich bildenden Partikel. Hier war es zentral, dass das Team des Paul Scherrer Instituts es erreicht hat so extrem niedrige Konzentrationen von Aminen überhaupt exakt zu messen.
Klimamodelle können genauer werden
Tiefere Kenntnisse über die Aerosolbildung sind essentiell für die Klimamodelle. Einerseits reflektieren die Aerosole wie erwähnt Sonnenstrahlung in den Weltraum zurück, andererseits tragen sie zur Bildung von Wolken bei.
Dazu kommt: Je feiner die Wolkentröpfchen sind, desto "dichter" wird die Wolke. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn es sehr viele Aerosole gibt, an denen sich Wolkentröpfchen bilden können, aber nur wenig Wasser in der Luft. Dann bleiben die einzelnen Tropfen kleiner, die Wolke wirkt "weisser" und reflektiert das Sonnenlicht stärker. Zudem regnet eine solche Wolke nicht so schnell ab und strahlt dementsprechend länger Sonnenenergie in den Weltraum zurück. Hätte die Erde in einem beliebigen Zeitpunkt keinerlei Wolkendecke, erhielte jeder Quadratmeter Erdoberfläche im Durchschnitt 20 Watt zusätzliche Wärmeenergie. Aerosole wirken also der Erwärmung der Erdatmosphäre entgegen.
Bereits bekannt war, dass etwa die Hälfte der Aerosole natürlichen Ursprungs ist. Der Mechanismus der Nukleation jedoch war bisher nur rudimentär bekannt. Je mehr man über die Aerosolbildung weiss, desto exakter können die Klimamodelle werden.
[Text: Alexandra von Ascheraden]
Pressemitteilung der Universität Wien
Aerosolneubildung in der Atmosphäre im Labor nachgestellt
Aerosolteilchen wirken kühlend auf die Atmosphäre. Nach gegenwärtigen Schätzungen entsteht etwa die Hälfte aller Wolkentropfen an Aerosolpartikeln, die sich in der Atmosphäre erst neu bilden. Es ist daher wahrscheinlich, dass die Partikelneubildung durch Nukleation in der Atmosphäre eine Schlüsselrolle bei der Klimaentwicklung spielt. Welche Moleküle an diesem Prozess teilnehmen ist bisher noch unbekannt. Einem internationalen Forschungsteam mit Beteiligung von Aerosolphysikern der Universität Wien um Paul Wagner ist es nun erstmals gelungen, die atmosphärischen Aerosolneubildungsraten im Rahmen des CLOUD-Experiments am CERN-Teilchenbeschleuniger zu reproduzieren.
Das CLOUD-Experiment beschäftigt sich mit einem der schwierigsten offenen Probleme der Atmosphärenphysik - der Erklärung, wie Aerosolpartikel in der Atmosphäre entstehen und damit das Klima beeinflussen. Eine Neubildung von Partikeln kann durch Zusammenlagerung von Dampfmolekülen zu Molekülclustern in der Atmosphäre erfolgen. Diese Nukleation setzt eine hinreichende Stabilität der Molekülcluster voraus. Die CLOUD-Untersuchungen erlauben die Bestimmung von Partikelentstehungsraten unter verschiedenen experimentellen Bedingungen und damit eine detaillierte Untersuchung des Nukleationsvorgangs.
Welche Prozesse wurden in CLOUD untersucht?
In CLOUD beobachteten die ForscherInnen die Bildung neuer atmosphärischer Partikel in einer speziell konstruierten Messkammer unter extrem präzise kontrollierter Temperatur, Feuchtigkeit und Konzentration kondensierender Dämpfe. "Wir haben die Entstehung von Partikeln aus Schwefelsäuredampf und winzigen Konzentrationen von Dimethylamin beobachtet", erklärt Paul Wagner von der Fakultät für Physik. Amine sind atmosphärische Dämpfe, die hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten (vor allem in der Viehzucht) entstehen, aber auch von den Ozeanen und vom Erdboden emittiert werden. "Aminmoleküle sind dafür bekannt, dass sie starke chemische Bindungen mit Schwefelsäuremolekülen bilden. Ihre Anwesenheit könnte erklären, weshalb Nukleation sehr häufig in der bodennahen Atmosphäre beobachtet wird", so der Forscher.
Besonderheiten des CLOUD-Experiments
In der CLOUD-Kammer ist es möglich, wesentlich geringere Werte von Verunreinigungskonzentrationen zu erzielen als bei allen anderen bisher durchgeführten Experimenten. Dadurch sind wohldefinierte Experimente möglich und Komplikationen durch den Einfluss störender Gaskomponenten können vermieden werden. Mit hochempfindlichen Messinstrumenten werden die extrem niedrigen Dampfkonzentrationen sowie die molekulare Zusammensetzung der neugebildeten Molekülcluster bestimmt. Das CLOUD-Messsystem ermöglicht unter Verwendung eines CERN-Pionenstrahls auch die Messung einer Verstärkung der Nukleation durch kosmische Strahlung. Mit Hilfe eines internen elektrischen Feldes kann andererseits jeglicher Einfluss von Ionisation vollständig unterdrückt werden.
Was wurde durch CLOUD entdeckt?
"Unsere Experimente haben gezeigt, dass Amine bei Konzentrationen von nur einigen Molekülen pro 1012 Luftmoleküle (ppt) zusammen mit Schwefelsäuremolekülen äußerst stabile Aerosolpartikel bilden", so Wagner. Die Entstehungsraten sind ähnlich denen in der bodennahen Atmosphäre. "Es ist erstmals gelungen, die Entstehungsraten atmosphärischer Aerosolpartikel zu reproduzieren, dabei konnte auch die molekulare Zusammensetzung der Cluster präzise bestimmt werden", freut sich der Aerosolphysiker der Universität Wien. Die sehr detaillierten Messergebnisse konnten mit Hilfe quantenchemischer Berechnungen des molekularen Clusterbildungsvorganges erklärt werden. Somit erzielten die ForscherInnen ein grundlegendes Verständnis des Nukleationsprozesses auf molekularem Niveau.
Folgerungen für unser Verständnis der Klimaentwicklung
"Die Resultate deuten darauf hin, dass natürliche und anthropogene, also durch menschliche Aktivitäten hervorgerufene Quellen von Aminen das Klima beeinflussen könnten", erklärt Wagner. Es ist zu erwarten, dass anthropogene Amin-Emissionen in Zukunft ansteigen werden, insbesondere weil sich Amin-Gaswäsche voraussichtlich zu einer dominanten Technologie für die CO2-Abscheidung bei Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen entwickeln wird. "Eine Ausbreitung von Aminen in nicht verunreinigte Gebiete könnte zu einer Erzeugung neuer Partikel in der Atmosphäre führen und zum kühlenden Einfluss von Partikeln auf das Klima beitragen" betont Wagner. Die ForscherInnen haben auch gezeigt, dass die Entstehungsrate von Amin-Schwefelsäure Partikeln in der Atmosphäre kaum durch Ionisation auf Grund kosmischer Strahlung beeinflusst wird. Bei Nukleation von atmosphärischen Schwefelsäure Partikeln mit anderen Dämpfen könnte der Einfluss der kosmischen Strahlung unterschiedlich sein.
Pressemitteilung der Universität Frankfurt
Wolkenbildung und Klima
Ammoniak aus der Tierhaltung spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Aerosolpartikeln, die einen kühlenden Effekt auf das Klima haben - unter anderem, weil sie zur Wolkenbildung beitragen. Das zeigt ein internationales Forscherteam unter maßgeblicher Beteiligung der Goethe-Universität in einer aktuellen Publikation in Nature.
FRANKFURT - Wolken gehören in Klimamodellen zu den kühlenden Faktoren, da sie das Sonnenlicht reflektieren. Klimaforscher wissen inzwischen, dass menschliche Aktivitäten insofern einen Einfluss auf die Wolkenbildung haben, als sie den Anteil an Aerosolpartikeln (Schwebeteilchen) in der Atmosphäre erhöht haben. Bildet sich eine Wolke, dann bedeuten mehr Aerosolpartikel auch mehr kleine Wassertröpfen, die die Wolken heller und langlebiger machen. Seit einigen Jahren untersucht eine internationale Kooperation mit maßgeblicher Beteiligung der Goethe-Universität deshalb am CLOUD-Experiment am CERN bei Genf, welche atmosphärischen Spurengase die Bildung der Aerosolpartikel fördern. In der Fachzeitschrift Nature berichten sie online in einer Vorabveröffentlichung, dass Amine dabei eine wichtige Rolle spielen.
"Die Neubildung von Aerosolpartikeln in der Atmosphäre könnte ein Schlüsselprozess für die Regulation des Klimas sein, da wir davon ausgehen, dass etwa die Hälfte der Wassertröpfchen in Wolken an Aerosolpartikeln kondensiert, die sich erst in der Atmosphäre neu gebildet haben", erklärt Prof. Joachim Curtius vom Institut für Atmosphäre und Umwelt der Goethe-Universität. Die Forscher untersuchen deshalb, welche Spurengase zur Entstehung von Aerosolpartikeln beitragen. In ihrer aktuellen Studie haben sie Amine in den Blick genommen. Das sind Abkömmlinge (Derivate) des Ammoniaks, die hauptsächlich durch die Tierhaltung entstehen, aber auch vom Meer, den Böden und bei der Verbrennung von Biomasse freigesetzt werden. "Wir konnten erstmals zeigen, dass Amine äußerst effizient Partikel bilden, weil sie starke Bindungen mit Schwefelsäuredämpfen eingehen", so Curtius.
Das CLOUD-Experiment simuliert die Entstehung von Aerosolpartikeln und Wolken unter kontrollierten Bedingungen, das heißt frei von störenden Verunreinigungen durch andere Spurengase. Das ist wichtig, weil die untersuchten Dimethyl-Amine in der Atmosphäre in extrem niedrigen Konzentrationen von einem Molekül auf eine Billionen Luftmoleküle vorkommen. Sie verbinden sich mit Schwefelsäuredampf zu stabilen Aerosolpartikeln. In der Wolkenkammer konnten die Forscher erstmals die Entstehungsrate dieser Partikel in der unteren Atmosphäre unter Laborbedingungen reproduzieren. "Die hochpräzisen Messungen erlauben es uns, den Nukleationsprozess auf der molekularen Ebene zu verstehen", erklärt Curtius und fügt hinzu: "Die Ergebnisse legen nahe, dass natürliche und anthropogene Amin-Quellen das Klima beeinflussen könnten."
Wichtig ist das Ergebnis auch deshalb, weil die Emission von Aminen künftig wahrscheinlich zunehmen wird: Die Gasreinigung mithilfe von Aminen gilt als zukunftsträchtige Technik zur Abscheidung von Kohlendioxid aus der Verbrennung von Braun- und Steinkohle in Kraftwerken. Die Ausbreitung von diesen Aminen in Regionen mit sehr geringen Partikelkonzentrationen könnte dazu führen, dass sich der kühlende Effekt durch Aerosole verstärkt.
Die Ionisation von Molekülen in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung, die im CLOUD-Experiment ebenfalls untersucht wurde, spielt hingegen kaum eine Rolle bei der Bildung von Amin-Schwefelsäure-Partikeln. Die Forscher schließen jedoch nicht aus, dass die Nukleation von Schwefelsäure-Partikeln in der unteren Atmosphäre auch durch andere Dämpfe gefördert werden kann, auf die Ionisation durch kosmische Höhenstrahlung einen größeren Einfluss haben könnte. CLOUD ist das erste Klimaexperiment, das die am Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf erzeugten Teilchen nutzt, um den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Bildung neuer Aerosolpartikel zu untersuchen.
Zusatzinformationen:
Joao Almeida, Siegfried Schobesberger, Andreas Kürten et al.:
Molecular understanding of sulphuric acid-amine particle nucleation in the atmosphere.
In: Nature; online veröffentlicht am 06. Oktober 2013, DOI 10.1038/nature12663
Quellen: Paul Scherrer Institut, PSI, Schweiz
Universität Wien, Österreich
Aktualisiert am 10.10.2013.
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