Mechanismus entschlüsselt: Wie organische Säuren in der Atmosphäre entstehen

Der Säuregehalt der Atmosphäre wird zunehmend von Kohlendioxid und organischen Säuren wie Ameisensäure bestimmt. Letztere tragen zur Bildung von Aerosol-Partikeln als Vorläufer von Regentropfen bei und beeinflussen damit Wachstum von Wolken und den pH-Wert von Regenwasser. In bisherigen Modellen der Atmosphärenchemie zur Säurebildung spielte Ameisensäure eine eher kleine Rolle – die chemischen Prozesse ihrer Entstehung waren zu wenig bekannt. Einem internationalen Team von Forschenden unter Jülicher Ägide gelang es jetzt, diese Lücke zu schließen und den dominanten Mechanismus der Bildung von Ameisensäure zu entschlüsseln. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Besonders aus den 80er Jahren ist in Deutschland der „saure Regen“ bekannt. Seine Ursache: Die von Menschen in die Atmosphäre eingebrachten Stickstoffoxide und Schwefeloxide reagierten mit den Wassertröpfchen in den Wolken zu Schwefel- und Salpetersäure – der „saure Regen“ hat einen pH-Wert von etwa 4,2–4,8 und liegt damit niedriger als der von reinem Regenwasser (5,5 bis 5,7), der sich durch den natürlichen Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre ergibt.

Bisher unbekannt war dagegen der chemische Prozess, der den größten Teil der in der Atmosphäre vorhandenen Ameisensäure bildet. Dr. Bruno Franco und Dr. Domenico Taraborrelli vom Jülicher Institut für Troposphärenforschung konnten ihn nun entschlüsseln: Formaldehyd entsteht auf natürlichem Wege durch Photooxidation von flüchtigen organischen Verbindungen. In Wolkentröpfchen reagiert Formaldehyd mit den Wassermolekülen zu Methandiol. Der größte Teil davon wird ausgegast und reagiert mit OH-Radikalen, dem „Waschmittel der Atmosphäre“, in einem photochemischen Prozess zu Ameisensäure. Ein kleinerer Teil reagiert in der Flüssigphase des Wassertröpfchens ebenfalls zu Ameisensäure, die durch Regen verteilt wird.

„Durch die Oxidation von Methandiol in der Gasphase entsteht nach unseren Schätzungen bis zum Vierfachen dessen, was in anderen bekannten chemischen Prozessen in der Atmosphäre an Ameisensäure insgesamt entsteht“, erläutert Domenico Taraborrelli. Diese Menge reduziere den pH-Wert von Wolken und Regenwasser um bis zu 0,3, was den Beitrag des organischen Kohlenstoffs zur natürlichen atmosphärischen Säuregehalt hervorhebt.

In einem ersten Schritt überprüften die beiden Wissenschaftler ihre Theorie mithilfe von MESSy, einem globalen Modell der Atmosphärenchemie, und verglichen die Ergebnisse mit Fernerkundungsdaten. Für die Modellierung nutzten sie den Jülicher Supercomputer JURECA. Anschließende Experimente in der Jülicher Atmosphärensimulationskammer SAPHIR bestätigten die Ergebnisse. „Wir gehen davon aus, dass der aufgezeigte Mechanismus auch in wässrigen Aerosolen und für andere organische Säuren wie Oxalsäure gilt, die in den atmosphärenchemischen Modellen bisher nicht ausreichend berücksichtigt werden können“, so Taraborrelli. Das könnte unter anderem dazu beitragen, das Wachstum von Aerosol-Partikeln und die Entwicklung von Wolken besser zu verstehen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Bruno Franco
Spectroscopy, Quantum Chemistry and Atmospheric Remote Sensing (SQUARES)
Université Libre de Bruxelles (ULB)
Tel.: +32 (0)2 650 24 15
E-Mail: bfranco@ulb.ac.be

Dr. Domenico Taraborrelli
Institut für Energie- und Klimaforschung, Troposphäre (IEK-8)
Tel.: 02461 61-6864
E-Mail: d.taraborrelli@fz-juelich.de

Originalpublikation:

Ubiquitous atmospheric production of organic acids mediated by cloud droplets,
B. Franco, T. Blumenstock, C. Cho, L. Clarisse, C. Clerbaux, P-F. Coheur, M. de Mazière, I. de Smedt, H.-P. Dorn, T. Emmerichs, H. Fuchs, G. Gkatzelis, D. W. T. Griffith, S. Gromov, J. W. Hannigan, F. Hase, T. Hohaus, N. Jones, A. Kerkweg, A. Kiendler-Scharr, E. Lutsch, E. Mahieu, A. Novelli, I. Ortega, C. Paton-Walsh, M. Pommier, A. Pozzer, D. Reimer, S. Rosanka, R. Sander, M. Schneider, K. Strong, R. Tillmann, M. van Roozendael, L. Vereecken, C. Vigouroux, A. Wahner, D. Taraborrelli; Nature, May 2021
DOI: 10.1038/s41586-021-03462-x

Weitere Informationen:

https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2021/2021-05-01-ta… Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich