Jodsäuren beeinflussen Bildung atmosphärischer Aerosole massiv

Jod aus den Meeren verstärkt Wolkenbildung in der Arktis und Eisschmelze

Im Großexperiment CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) am Kernforschungszentrum CERN in Genf untersuchen 104 Wissenschaftler aus 13 Ländern, wie sich unter kontrollierten Bedingungen aus reaktiven Gasen Aerosolpartikel bilden. In einer am 05.02.2021 in Science veröffentlichten Arbeit zeigen Xu-ChEng He et. al., dass sich Aerosolpartikel aus Jodsäure extrem schnell in der marinen Grenzschicht bilden – dem Teil der Atmosphäre, der in direktem Kontakt mit dem Ozean steht. Aerosolpartikel in der Atmosphäre beeinflussen Klima und Wolkenbildung und tragen zu städtischem Smog bei, wie sich aber neue Aerosolpartikel bilden, ist noch relativ gering untersucht. Die Ergebnisse deuten auf einen neuen Mechanismus hin, der den Verlust des arktischen Meereises beschleunigen könnte.

Jod aus den Meeren verstärkt Wolkenbildung in der Arktis und Eisschmelze Jod aus den Meeren verstärkt Wolkenbildung in der Arktis und Eisschmelze – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Jodspezies sind ein von nur einer Handvoll atmosphärischer Dämpfe, von denen bekannt ist, dass sie neue Aerosolpartikel bilden, die eine zentrale Rolle bei der Kontrolle des Strahlungsantriebs des Klimas spielen. He et al. berichten über experimentelle Beweise aus der CERN Cosmics Leaving Outdoor Droplets, oder CLOUD, Kammer, die zeigen, dass Jodsäure und jodhaltige Säure schnell neue Partikel bilden und in unberührten Regionen mit Schwefelsäure konkurrieren können.

“Jodsäurepartikel wurden schon früher in bestimmten Küstenregionen beobachtet, aber wir wussten bis jetzt nicht, wie wichtig sie global sein könnten”, sagt CLOUD-Sprecher Jasper Kirkby. “Obwohl sich die meisten atmosphärischen Partikel aus Schwefelsäure bilden, zeigt unsere Studie, dass Jodsäure in unberührten Meeresregionen der Haupttreiber sein könnte.”

CLOUD ist ein einzigartiges Experiment. Es ist das weltweit erste Laborexperiment, das die technische Leistung erreicht, um die Bildung und das Wachstum von Aerosolpartikeln aus einem Dampfgemisch unter genau kontrollierten atmosphärischen Bedingungen zu messen. Zusätzlich ist das Experiment in der Lage zu untersuchen, wie Ionen, die von hochenergetischen Teilchen, der so genannten kosmischen Strahlung, erzeugt werden, die Bildung von Aerosolpartikeln beeinflussen. Dabei wird entweder der stetige Fluss natürlicher kosmischer Strahlung verwendet, der auf die CLOUD-Kammer herabregnet, oder – um größere Höhen zu simulieren – ein Strahl von Teilchen aus dem CERN Protonen-Synchrotron.

In seiner neuen Studie hat das CLOUD-Team untersucht, wie sich Aerosolpartikel aus Dämpfen, die aus molekularem Jod stammen, unter Bedingungen der Meeresgrenzschicht bilden. Sie fanden heraus, dass die Partikelbildung und das Wachstum durch Jodsäure (HIO3) angetrieben wird, und dass Jodsäure (HIO2) eine Schlüsselrolle bei den ersten Schritten der Bildung von neutralen Partikeln – solchen ohne elektrische Ladung – spielt.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass sich die Jodsäure-Teilchen extrem schnell bilden – sogar schneller als Schwefelsäure-Ammoniak-Teilchen bei ähnlichen Säurekonzentrationen. Sie fanden auch heraus, dass Ionen aus der kosmischen Strahlung, die aus unserer Galaxie stammt, die Teilchenbildungsrate auf das maximal mögliche Maß beschleunigen, das nur dadurch begrenzt wird, wie häufig die Moleküle zusammenstoßen.

“Die Bildung von Jodsäurepartikeln ist wahrscheinlich besonders wichtig in unberührten Meeresregionen, wo die Schwefelsäure- und Ammoniakkonzentrationen extrem niedrig sind”, sagt Kirkby. “In der Tat wurde vor kurzem über eine häufige Neubildung von Partikeln über dem Packeis in der Hocharktis berichtet, die von Jodsäure angetrieben wird, mit einem geringen Beitrag von Schwefelsäure.”

Die Ergebnisse haben wichtige Verzweigungen. Die Meeresoberfläche, das Meereis und exponierte Algen sind wichtige Quellen für atmosphärisches Jod, und die globalen Jod-Emissionen in hohen Breiten haben sich in den letzten sieben Jahrzehnten verdreifacht und werden in Zukunft wahrscheinlich weiter zunehmen, da das Meereis dünner wird.

“In den Polarregionen haben Aerosole und Wolken einen wärmenden Effekt, weil sie Infrarotstrahlung absorbieren, die sonst in den Weltraum verloren geht, und sie dann wieder an die Oberfläche abstrahlen. Erhöhte Jodsäure-Aerosol- und Wolkenbildung könnte daher eine bisher nicht berücksichtigte positive Rückkopplung darstellen, die den Verlust des Meereises in der Arktis beschleunigt”, erklärt Kirkby.