Direkter Weg der Schwefelsäurebildung in der Atmosphäre ohne SO2

Neuer Reaktionsweg zeigt direkte Schwefelsäurebildung aus reduzierten Schwefelverbindungen, die besonders an Wolkenrändern und über den Ozeanen wichtig ist.

Aus gasförmiger Schwefelsäure werden in der Atmosphäre Partikel gebildet, die die Eigenschaften von Wolken beeinflussen. Dadurch wirkt die Bildung von Schwefelsäure in der Gasphase direkt auf den Strahlungsantrieb und das Klima der Erde. In Experimenten konnten Forscher des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) jetzt nachweisen, dass es neben der bekannten Bildung aus Schwefeldioxid auch noch einen weiteren Bildungsweg gibt, über den bereits seit Jahrzehnten spekuliert wurde. Demnach kann Schwefelsäure in der Atmosphäre auch direkt durch die Oxidation von organischen Schwefelverbindungen entstehen. Dieser neue Produktpfad kann über den Ozeanen bis zur Hälfte der gebildeten gasförmigen Schwefelsäure ausmachen und ist damit von großer Bedeutung für Klimaprojektionen – vor allem über den großen Ozeanen der Südhemisphäre, schreiben die Forscher im Fachmagazin Nature Communications.

Organische Schwefelverbindungen werden hauptsächlich aus biogenen Quellen emittiert und tragen wesentlich zum Schwefelkreislauf der Erde bei. Der Schwefelkreislauf ist für das Klima der Erde von großer Bedeutung, weil die Oxidationsprodukte organischer Schwefelverbindungen, wie Schwefelsäure (H2SO4) und Methansulfonsäure (MSA, CH3SO3H), neue Partikel in der Luft erzeugen können. Diese Sulfatpartikel streuen die einfallende Sonnenstrahlung und beeinflussen die Bildung von Wolkenkondensationskeimen. Die Anzahl und Größe von Wolkenkondensationskeimen verändern wiederum die mikrophysikalischen und strahlungstechnischen Eigenschaften sowie die Lebensdauer von Wolken erheblich. Das Wissen, wie H2SO4 in der Atmosphäre gebildet wird, ist deshalb immens wichtig, um grundlegende Prozesse im Klimasystem besser zu verstehen.

Die weltweit wichtigste organische Schwefelverbindung ist Dimethylsulfid (DMS, CH3SCH3) mit einer jährlichen Emissionsrate von etwa 30 Millionen Tonnen Schwefel, gefolgt von Methylmercaptan (MeSH, CH3SH) und, in geringerem Maße, Dimethyldisulfid (DMDS, CH3SSCH3). Zahlreiche Laborexperimente und Modellsimulationen wurden am TROPOS durchgeführt, um die Abbaupfade dieser Verbindungen in der Atmosphäre zu untersuchen. „Unseres Wissens nach gibt es bisher keinen experimentellen Nachweis für die direkte Bildung von H2SO4 in der Gasphase, außer über die SO2-Oxidation durch OH-Radikale oder Criegee-Intermediate, obwohl darüber in der Literatur seit langem spekuliert wird und solche Wege bereits in Modellen implementiert wurden“, erklärt Dr. Torsten Berndt vom TROPOS.

Am TROPOS gelang jetzt der experimentelle Nachweis der direkten Bildung von H2SO4 im Labor, mit Hilfe von zwei Strömungssystemen: einem horizontalen Freistrahl-Strömungssystem und einem vertikalen Laminarströmungsrohr. Hier konnte bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen gearbeitet werden, was eine exakte Untersuchung der Oxidationsprozesse mit Hilfe von modernen Massenspektrometern ermöglichte. Die experimentellen Befunde erlauben zusätzlich viele kinetische Parameter der Schwefeloxidation abzuschätzen und tragen somit zu einem verbesserten Verständnis der Schwefeloxidation in der Atmosphäre bei.

Die Ergebnisse der Experimente wurden in den am TROPOS bestehenden komplexen Multiphasenchemiemechanismus MCM/CAPRAM integriert, um die experimentellen Resultate mit einem Modell zu evaluieren. „Unter den relativ sauberen Bedingungen über den südlichen Ozeanen kann die direkte Bildung von H2SO4 bis zu 50 Prozent zur gesamten Gasphasenbildung in der Atmosphäre beitragen“, berichten Dr. Andreas Tilgner und Dr. Erik H. Hoffmann. Es wird postuliert, dass der direkte Weg über die Gasphase vor allem über den Ozeanen in der südlichen Hemisphäre wichtig sein kann. Diese Regionen sind häufig durch ein kleines Verhältnis von SO2 zu DMS gekennzeichnet, wodurch der Anteil dieses direkten Produktionsweges dort besonders wichtig sein kann. Weitere atmosphärische Bereiche, in denen ein kleines Verhältnis zu erwarten ist, liegen im Randbereich von konvektiven Meereswolken. Dort wurden hohe Konzentrationen von H2SO4 und die Bildung neuer Aerosolpartikel beobachtet, die nun erklärt werden können.

Kontakte für die Medien:

Dr. Torsten Berndt/ Dr. Erik H. Hoffmann/ Dr. Andreas Tilgner
Wissenschaftliche Mitarbeiter, Abteilung Chemie der Atmosphäre (ACD), Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel. +49-341-2717-7032, -7389, -7178
und
Dr. Frank Stratmann
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Abteilung Atmosphärische Mikrophysik (AMP), Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel. +49-341-2717-7142
und
Prof. Dr. Hartmut Herrmann
Leiter, Abteilung Chemie der Atmosphäre (ACD), Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel. +49-341-2717-7024
https://www.tropos.de

oder
Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. +49 341 2717-7189
http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/

Weitere Informationen und Links:

DFG-Projekt: Auf dem Weg zu einem besseren DMS-Oxidationsmechanismus (ADOniS)
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/495046770?context=projekt&task=showDeta…;

Neue Erkenntnisse zur größten natürlichen Schwefelquelle in der Atmosphäre (Pressemitteilung, 18.11.2019)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/neue-erkenntnisse-zur…

Freistrahl-Strömungssystem
https://www.tropos.de/forschung/grossprojekte-infrastruktur-technologie/technolo…

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 97 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen.
Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit.
Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.500 Personen, darunter 11.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Der Gesamtetat der Institute liegt bei 2 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
http://www.leibniz-gemeinschaft.de
https://www.bmbf.de/
https://www.smwk.sachsen.de/

Originalpublikation:

Berndt, T., Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Stratmann, F. & Herrmann, H.: Direct sulfuric acid formation from the gas-phase oxidation of reduced-sulfur compounds. Nat. Commun. 14, 4849 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40586-2
Die Untersuchungen wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über das Projekt ADOniS (grant HE 3086/53-1) gefördert. Die Open-Access-Finanzierung wurde ermöglicht und organisiert durch die Initiative DEAL der Allianz der deutschen Wissenschaftsorganisationen.

Weitere Informationen:

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