Ein Molekül kann das Klima verändern

Bisher völlig unbekannter Prozess: Pyridinium-Ionen befördern Wolkenbildung

Pyridinium-Ionen fördern Keimbildungsprozesse in den frühen Phasen der atmosphärischen Aerosol- und Wolkenbildung und damit die Entstehung von Wolken. Wolken entstehen aus Wassertröpfchen, die sich um Aerosolpartikel in der Atmosphäre bilden. Luftschadstoffe tragen zur Entstehung dieser Aerosole wesentlich bei. Nun haben laut einer Veröffentlichung der Universität Innsbruck (s.a. PNAS 116/45) Wissenschaftler aus Frankreich, Japan und Österreich im Labor einen bisher völlig unbekannten Prozess entdeckt: Die Aerosol-Bildung wird durch Pyridinium-Ionen, die auch im Tabakrauch enthalten sind, verstärkt.

Laut dem Weltklimarat (IPCC) ist der Anstieg der Aerosole und Wolken seit vorindustrieller Zeit eine der größten Unsicherheiten bei der Vorhersage des Klimawandels. Die Tröpfchen, aus denen sich Wolken zusammensetzen, bilden sich um Aerosolpartikel, die entweder direkt emittiert werden oder durch Keimbildung in der Atmosphäre entstehen. Dabei verbinden sich Gasmoleküle zu neuen Partikeln, die wachsen und zu Kondensationskeimen werden können. Wasseraggregate spielen in den frühen Phasen der Keimbildung eine Schlüsselrolle.Die Wissenschaftler vom Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon  (iP2i), des Laboratoire Interdisciplinaire de Physique de Grenoble, des Instituts für Ionenphysik und Angewandte Physik (Innsbruck) und des RIKEN Laboratoriums (Japan) – unter ihnen der Innsbrucker Uni-Rektor Tilmann Märk, der regelmäßig zu Forschungsaufenthalten an der Universität Lyon weilt – zeigen nun in einem Experiment mit einer neu entwickelten Apparatur in der dortigen Arbeitsgruppe um Michel Farizon am Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon, dass die Verdampfung von einzelnen Wassermolekülen von der Oberfläche solcher Kondensationskeime in Gegenwart eines Pyridinium-Ions langsamer verläuft. Eine solche hydrophobe Verunreinigung wie Pyridium erleichtert daher das Wachstum von Wasseraggregaten und damit Keimbildungsprozesse in den frühen Phasen der atmosphärischen Aerosol- und Wolkenbildung. Dieses unerwartete Ergebnis wurde Ende Oktober in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Bisher unbekannte Rolle eines Luftschadstoffs

Die Forscher dotierten im Labor einzelne Nanotropfen aus Wasser mit einem Pyridinium-Ion, regten diese Nanotropfen durch Stöße energetisch an und maßen die Geschwindigkeit von einzelnen verdampfenden Wassermolekülen. Die dadurch aus vielen Einzelmessungen erhaltene Geschwindigkeitsverteilung der verdampfenden Wassermoleküle gibt einen Hinweis auf die Thermalisierung der eingebrachten Energie innerhalb des Nanotropfens, jenen Prozess, über den ein System in ein thermisches Gleichgewicht gelangt. Die Interpretation der Ergebnisse basiert auf statistischen Berechnungen, die in Lyon und Grenoble durchgeführt wurden. „Das Vorhandensein eines Pyridinium-Ions in einem Wasseraggregat verändert demnach dessen thermodynamische Eigenschaften radikal“, erklärt Tilmann Märk die Resultate. „Als Konsequenz nimmt das Wachstum der dotierten Wasseraggregate im Vergleich zu reinen Wasseraggregaten zu.“Pyridin gelangt durch menschliche Aktivitäten in der Erdatmosphäre. Es entsteht bei der Verbrennung von Biomasse, durch Autoabgase, Teer und Tabakrauch. Seine Lebensdauer in der Atmosphäre wird auf 23 bis 46 Tage geschätzt. „Die Anwesenheit von Pyridin fördert somit die Entstehung von Wassernanotropfen, erleichtert und stabilisiert deren Bildung“, fasst Tilmann Märk zusammen. „Pyridin ist in den allerersten Phasen der Bildung von Nanotropfen beteiligt. Wenn der Wassertropfen wächst, wird das Pyridin eventuell wieder freigesetzt. Dann kann das Molekül erneut eingreifen, um einen nächsten Tropfen zu bilden. Pyridin wirkt hier also wie ein Katalysator, und da es nicht in den Aerosolen verbleibt, war seine Rolle bisher unentdeckt geblieben.“

Im Wortlaut – aus PNAS: Bedeutung

Die Gas-Partikel-Konvertierung, auch bekannt als atmosphärische Aerosol-Nukleation, ist für etwa die Hälfte der globalen Wolkenkondensationskeime verantwortlich. Weiterhin wurde die Auffassung vertreten, dass eine homogene ternäre Keimbildung einschließlich Wasser der Hauptweg für die Bildung atmosphärischer Aerosole ist. Im Gegensatz zu früheren Ergebnissen an reinen protonierten Wasserclustern zeigt die Form der gemessenen Geschwindigkeitsverteilungen von Wassermolekülen, die aus angeregten Wasserclustern verdampft sind, die mit Pyridinium, einem reichlich vorhandenen anthropogenen Ion in der Troposphäre, dotiert sind, Hinweise auf eine Ungleichgewichtsverdampfung vor der Thermalisierung. Die Verdampfung von Wassermolekülen verläuft für die dotierten Cluster wesentlich langsamer und zeigt wiederum, wie solche Verunreinigungen das Wachstum von Wasserclustern und damit die Keimbildungsprozesse in frühen Phasen atmosphärischer Aerosolbildung fördern.

Abstrakt

Atmosphärische Aerosole sind mitentscheidend für das planetarische Klima, und es ist bekannt, dass die Zugabe von anthropogenen Molekülen in die Atmosphäre die Wolkenbildung stark beeinflusst. Die große Vielfalt der in solchen verdünnten Medien vorhandenen Verbindungen und ihre spezifischen zugrunde liegenden Wärmebildungsprozesse im Nanobereich machen eine vollständige quantitative Beschreibung der atmosphärischen Aerosolbildung schwierig. Vor allem erfordert es grundlegende Kenntnisse über die Rolle von Verunreinigungen beim Wachstum von Wasserclustern, ein entscheidender Schritt in der Frühphase der Aerosol- und Wolkenbildung. Hier zeigen wir, wie ein hydrophobes Pyridinium-Ion innerhalb eines Wasserclusters die Thermalisierungseigenschaften drastisch verändert, was wiederum die entsprechende Neigung zum Wasserclusterwachstum beeinflusst. Die Kombination von Velocity Map Imaging*) mit einer neu entwickelten Massenspektrometrietechnik ermöglicht die direkte Messung der Geschwindigkeitsverteilung der aus angeregten Clustern verdampfenden Wassermoleküle. Im Gegensatz zu früheren Ergebnissen bei Reinwasserclustern besteht der niedrigdynamische Teil der Verteilungen für pyridiniumdotierte Wassercluster aus zwei verschiedenen Maxwell-Boltzmann-Verteilungen, was auf eine Verdampfung im Ungleichgewichtszustand hinweist. Generell ist die Verdampfung von Wassermolekülen aus angeregten Clustern viel langsamer, wenn der Cluster mit einem Pyridiniumion dotiert ist. Daher verändert das Vorhandensein eines Schadstoffmoleküls im entstehenden Cluster die Energiespeicherung und -entsorgung in den frühen Phasen der Gas-Partikel-Konversion, was zu einer erhöhten Bildungsrate von Wasserclustern führt und somit eine homogene Keimbildung in den frühen Phasen der atmosphärischen Aerosolbildung ermöglicht.

*)”Velocity Map Imaging”, kurz VMI, ist für viele Chemodynamischen Forschungslabore zur Technik der Wahl geworden. VMI ist analog zur Flugzeit-Massenspektrometrie, wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass man durch die gezielte Wahl der elektrischen Felder im Bereich der Ionenquelle Ionen mit gleicher Masse und Anfangsgeschwindigkeit auf einem Ionendetektor in die gleiche Position lenken kann (nach uwaterloo.ca/velocity-map-imaging).

Aerosole sind winzige atmosphärische Partikel, die großen Einfluss auf das Erdklima haben. Sie streuen oder absorbieren Sonnenlicht und beeinflussen die Wolkenbildung durch die Fähigkeit, als Kondensationskeime zu wirken. Das Verständnis der Mechanismen, mit denen Moleküle in der Gasphase zu größeren Partikeln und schließlich zu Aerosolen aggregieren, ist von entscheidender Bedeutung, um ihre Rolle beim globalen Klimawandel und den damit verbundenen Fragen der öffentlichen Gesundheit im Zusammenhang mit der Inhalation ultrafeiner Partikel kritisch zu bewerten.

Die Gas-Partikel-Konvertierung, auch bekannt als sekundäre Aerosolbildung, wurde in vielen Regionen der Welt beobachtet. Die Partikelkeimbildung ist für etwa die Hälfte der globalen Wolkenkondensationskeime verantwortlich und ist die dominante Quelle in der freien Troposphäre. Es wird angenommen, dass die Keimbildung von atmosphärischen Partikeln sowohl neutrale als auch ioneninduzierte Bahnen in höhenabhängigen Verhältnissen beinhaltet. Das Vorhandensein von Ionen wurde prognostiziert, um die Wachstumsraten von Aerosolpartikeln im Nanometerbereich zu erhöhen. Vor kurzem wurde von Fan et al. gezeigt, dass anthropogene ultrafeine Aerosolpartikel kleiner als 50 nm einen stärkeren Einfluss auf die Wolkenbildung haben können, als bisher angenommen. Trotz umfangreicher Forschung sind die frühen Stadien der Keimbildung in der Atmosphäre jedoch nach wie vor nicht geklärt. Viele Experimente haben sich bisher auf die Art der Hauptverbindungen und ihre mögliche Rolle bei den Keimbildungsprozessen konzentriert. Ursprünglich galt die binäre homogene Keimbildung von Schwefelsäure und Wasser als der dominante Prozess; dennoch können die binären Ergebnisse mit diesen Spezies allein die in der Atmosphäre beobachteten Keimbildungs- und Wachstumsraten nicht erklären.

->Quellen und mehr: