Ein Molekül kann das Klima verändern

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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.

Wolkenstraße – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

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.“

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