Aerosolbildung in Wolken

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben erstmals untersucht, wie chemische Reaktionen in Wolken das weltweite Klima beeinflussen können. Sie fanden heraus, dass Isopren stark zur Bildung von organischen Aerosolen in Wolken beitragen kann. Isopren ist die dominante organische Nicht-Methan-Verbindung, die in die Atmosphäre emittiert wird. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie heute im Fachmagazin Science Advances.

Aerosole, also ein Gemisch aus festen oder flüssigen Schwebteilchen, spielen eine wichtige Rolle für das Klima auf der Erde. Aerosole in der Atmosphäre stammen entweder aus natürlichen oder menschlichen Quellen. Sie beeinflussen die Strahlungsbilanz der Erde, indem sie mit dem Sonnenlicht interagieren und Wolken bilden. Ihre exakte Wirkung bleibt jedoch die bedeutendste Unsicherheit in Klimamodellen.

Eine in der Atmosphäre sehr häufige Substanz ist das sogenannte Isopren, eine organische Verbindung, deren Reaktionen innerhalb der Gasphase der Atmosphäre bereits gut untersucht sind. Isopren wird von Bäumen abgegeben und kann bei seiner Oxidation Aerosole erzeugen. Wie Isopren und seine Reaktionsprodukte in Wolkentröpfchen reagieren, ist noch weitgehend unbekannt. Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben deshalb eine Art Strömungsreaktor mit benetzten Wänden zusammen mit modernsten Massenspektrometern eingesetzt, um erstmals unter atmosphärisch relevanten Bedingungen zu untersuchen, was im Inneren von Wolken chemisch passieren könnte.

«Unser Versuchsaufbau erlaubt es uns erstmals, die Verteilung organischer Dämpfe an der Luft-Wasser-Grenzfläche unter atmosphärennahen Bedingungen genau zu untersuchen», sagt Houssni Lamkaddam, Forscher im Labor für Atmosphärenchemie des PSI. «Mit unserer Apparatur können wir nun simulieren, was in Wolken passiert.»

Was genau passiert in Wolken?

In der speziellen Apparatur, einem sogenannten Benetzungsreaktor, wird auf der Innenseite eines Quarzrohrs ein dünner Wasserfilm aufrechterhalten. In den Glaszylinder wird ein Gasgemisch eingeleitet, das unter anderem Isopren, Ozon und sogenannte Hydroxylradikale enthält. Um den Glaszylinder herum sind UV-Lampen installiert, um für einen Teil der Experimente Tageslichtbedingungen zu simulieren.

Mit diesem Aufbau zeigen sie, dass sich bis zu 70 Prozent der Isopren-Oxidationsprodukte im Wasserfilm lösen. Bei der anschliessenden wässrigen Oxidation der gelösten Substanzen entstehen erhebliche Mengen an sekundären organischen Aerosolen. Aus diesen Analysen errechneten die Forscher, dass die chemischen Reaktionen, die in den Wolken ablaufen, für bis zu 20 Prozent des sekundären organischen Aerosols im globalen Massstab verantwortlich sind.

«Das ist ein weiterer wichtiger Beitrag, um die Vorgänge in der Atmosphäre besser zu verstehen», resümiert Urs Baltensperger, Forschungsleiter des Labors für Atmosphärenchemie des PSI. Die Strahlungsbilanz der Erde sei ein sehr wichtiger Faktor im ganzen Klimageschehen und damit auch beim Klimawandel.

«Und Aerosole spielen dabei eine entscheidende Rolle», so der Atmosphärenforscher. Während Aerosole Wolkentröpfchen bilden, zeigt diese Arbeit, dass durch die wässrige Chemie organischer Dämpfe auch Wolken Aerosole bilden können, ein Prozess, der für Sulfataerosole bekannt ist, hier aber für die organische Fraktion gezeigt wurde. Der neue, am PSI entwickelte Versuchsaufbau eröffnet die Möglichkeit, die Aerosolbildung in Wolken unter atmosphärennahen Bedingungen zu untersuchen, um diese Prozesse letztlich in Klimamodellen zu berücksichtigen.

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Urs Baltensperger
Labor für Atmosphärenchemie
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 24 08, E-Mail: urs.baltensperger@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Dr. Houssni Lamkaddam
Labor für Atmosphärenchemie
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 42 04, E-Mail: houssni.lamkaddam@psi.ch [Englisch, Französisch]

Dr. Imad El Haddad
Labor für Atmosphärenchemie
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 29 95, E-Mail: imad.el-haddad@psi.ch [Englisch]

Originalpublikation:

Large contribution to secondary organic aerosol from isoprene cloud 1 chemistry
H. Lamkaddam, J. Dommen, A. Ranjithkumar, H. Gordon, G. Wehrle, J. Krechmer, F. Majluf, D. Salionov, J. Schmale, S. Bjelić, K. S. Carslaw, I. El Haddad, U. Baltensperger
Science Advances, 24.03.2021
DOI: https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.abe2952

Weitere Informationen:

http://psi.ch/de/node/44403 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial