Erstmals Langzeit-Messung atmosphärischer Radikale

Hydroxylradikale (OH) tragen zur Reinigung der Atmosphäre bei. Sie reagieren mit toxischen Gasen wie Kohlenmonoxid (CO) und verlangsamen die globale Klimaerwärmung, indem sie Treibhausgase wie Methan (CH4) durch Oxidation aus der Luft entfernen.

In einigen Teilen der Atmosphäre, wie zum Beispiel der Stratosphäre, können auch Chlorradikale (Cl) diesen Reinigungsprozess unterstützen. Daher sind Wissenschaftler sehr daran interessiert herauszufinden, wie die Konzentrationen dieser natürlichen Reinigungskomponenten im Lauf der Zeit variieren. Da die beiden Radikale sehr reaktiv sind und in sehr niedrigen Konzentrationen vorkommen, ist es extrem schwierig, sie direkt zu messen.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz haben nun eine Methode entwickelt, mit der sowohl die atmosphärischen OH- als auch die Cl-Konzentrationen über längere Zeiträume mithilfe von flüchtigen organischen Verbindungen gemessen werden können. In einem kürzlich in der Zeitschrift „Nature Climate and Atmospheric Science“ erschienenen Artikel beschreiben sie die Methode und zeigen, dass sich die Konzentration dieser Radikale zwischen 2008 und 2015 kaum geändert hat.

„Der Trick bestand darin, monatliche Langzeitmessungen von drei Spurengasen zu verwenden: Schwefelhexafluorid, Methylchlorid und Methan“, sagt Jonathan Williams, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie. „Anhand dieser Werte kann man die OH- und die Cl-Konzentrationen errechnen.“

Die Gase wurden in einer Höhe von 10 bis 12 Kilometer mithilfe eines speziell ausgerüsteten Lufthansa-Passagierflugzeuges (IAGOS-CARIBIC*) gemessen. Die Ergebnisse wurden mit Bodenmessungen aus kombiniert, die aus einem Messnetzwerk der Wetter- und Ozeanografie-Behörde der Vereinigten Staaten, NOAA stammen. Schwefelhexafluorid (SF6), dessen Konzentration in der Atmosphäre stetig ansteigt, da es nicht abgebaut wird, zeigt, wann die Luft die Erdoberfläche verlassen hat, also wie „alt“ sie ist.

Anhand des Alters der Luft lässt sich abschätzen, wie viel von einer bestimmten chemischen Verbindung bereits oxidiert ist. Da Methylchlorid (CH3Cl) hauptsächlich mit OH-Radikalen und Methan (CH4) mit OH- und Cl-Radikalen reagiert, konnten die Max-Planck-Forscher die Endkonzentrationen der beiden Gase ermitteln. Hieraus wiederum konnten die Konzentrationen der Reinigungsradikale berechnet werden. „Das Praktische an unserer Methode ist, dass die Werte direkt aus den Messdaten stammen und wir kein komplexes Modell brauchen“, sagt Mengze Li, Doktorand am Mainzer Institut.

Die Daten zeigen, dass die OH-Konzentrationen in der Troposphäre sechsmal höher waren als diejenigen in der unteren Stratosphäre. Die Konzentration der Cl-Radikale in der Stratosphäre hingegen war zehnmal niedriger als die der OH-Radikale. Über die siebenjährige Zeitspanne der Messungen stellten die Wissenschaftler allerdings keinen Trend in den Daten fest.

„Diese Stabilität der Radikalkonzentrationen ist beruhigend, da starke Schwankungen die Luftzusammensetzung sehr instabil machen würden“, erklärt Atmosphärenforscher Williams. Diese neue Methode wird bei der künftigen Untersuchung großer Veränderungen von Radikalen nützlich sein, die beispielsweise bei Vulkanausbrüchen auftreten können.

* CARIBIC steht für Civil Aircraft for the regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container. Kern von CARIBIC ist ein vollautomatisiertes Analyselabor in Form eines Containers. Der Container fliegt monatlich an Bord eines Lufthansa Airbus A340-600 auf Langstreckenflügen mit und macht so regelmäßige Messungen von wichtigen Parametern der Luft.

Prof. Dr. Jonathan Williams
Max-Planck-Institut für Chemie Mainz
Telefon: +49(6131)305-4500
E-Mail: Jonathan.Williams@mpic.de

Tropospheric OH and stratospheric OH and Cl concentrations determined from CH4, CH3Cl, and SF6 measurements
Mengze Li, Einar Karu, Carl Brenninkmeijer, Horst Fischer, Jos Lelieveld & Jonathan Williams
npj Climate and Atmospheric Science, volume 1, Article number: 29 (2018)
DOI https://doi.org/10.1038/s41612-018-0041-9