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Neues Oxidationsmittel der Atmosphäre entdeckt, das Luftschadstoffe abbaut

09.08.2012
Offenbar gibt es eine bisher unbekannte chemische Verbindung in der Atmosphäre, die eine ähnliche Rolle beim Abbau von Luftschadstoffen spielt wie OH-Radikale, insbesondere bei der Oxidation des Schwefeldioxids.

Das berichtet ein internationales Forscherteam, zu dem auch Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (IfT) gehören, in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazin NATURE. Der Nachweis der Verbindung sei sowohl durch Laborversuche als auch durch Freilandmessungen gelungen. Diese Verbindung kann in der Atmosphäre hauptsächlich durch biogene Emissionen entstehen.


Der Nachweis der neuen Verbindung "X" gelang laut NATURE sowohl durch Laborversuche als auch durch Freilandmessungen. Links: Das Labor des IfT in Leipzig. In diesem Strömungsrohr wurden unter Atmosphärendruck jene chemischen Prozesse untersucht, die zur Bildung des neue Oxidationsmittels und zur Umsetzung zu Schwefelsäure führen. Rechts: Diese Verbindung kann in der Atmosphäre hauptsächlich durch biogene Emissionen entstehen. Wissenschaftler der Universität Helsinki konnten die Verbindung auch an der Forschungsstation Hyytiälä über den Wäldern im Süden Finnlands nachweisen.
Foto: Tilo Arnhold/IfT (links) & Juho Aalto/Universität Helsinki (rechts)


Dr. Torsten Berndt (rechts) und Dr. Frank Stratmann (links) im Chemielabor des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung in Leipzig. Die beiden IfT-Wissenschaftler waren an der Entdeckung des neues Oxidationsmittels in der Atmosphäre beteiligt, das Luftschadstoffe abbaut.
Foto: Tilo Arnhold/IfT

Damit wäre ein neuer Zusammenhang zwischen Schwefeldioxid, den natürlichen Emissionen aus der Vegetation und dem Klima entdeckt worden.

Die neue Verbindung erklärt Phänomene, die im Zusammenhang mit dem schädlichen Schwefeldioxid beobachtet wurden, das zum Beispiel aus Auto- oder Schiffsabgasen in die Umwelt gelangt. Bisher war man davon ausgegangen, dass allein Hydroxylradikale (OH-Radikale) für den Abbau des Schwefeldioxids und damit für die Erzeugung von Schwefelsäure verantwortlich seien. Problematisch war jedoch an dieser Theorie, dass in der Atmosphäre mehr Schwefelsäure nachgewiesen wurde als über die Reaktion von OH-Radikalen mit Schwefeldioxid erklärt werden konnte. Die von den Forschern gefundene Verbindung scheint nun das fehlende Puzzlestück zu sein. Sie ist in der Lage, ebenfalls aus Schwefeldioxid Schwefelsäure zu erzeugen und das möglicherweise effektiver als Hydroxylradikale. Dieser Prozess trage somit ebenfalls zur verstärkten Partikelneubildung, also der Umwandlung von Gasen in feste Partikel bei, berichten die Chemiker der Universität Helsinki, des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (IfT) und des National Center for Atmospheric Research in Boulder. Es ist in der Folgezeit zu prüfen, ob neben der Oxidation des Schwefeldioxids auch andere Luftschadstoffe effektiv durch das „neue“ Oxidationsmittel abgebaut werden. Damit könnte dieser Verbindung eine noch weitgehendere Bedeutung zukommen.

Über Oxidationsprozesse beeinflusst die Chemie der Atmosphäre die globalen Umweltprobleme wie Klimawandel, Ozonloch, Versauerung von Böden oder Gesundheitsprobleme durch mangelnde Luftqualität. Oxidationsmittel sorgen für den Abbau von Luftschadstoffen. Bekannt waren bisher nur drei Stoffe, die für den Abbau von Luftschadstoffen sorgen: Ozon (O3), das Hydroxylradikal (OH) und das Nitratradikal (NO3). Während das Nitratradikal nur nachtaktiv und das Hydroxylradikal hauptsächlich tagsüber bei Sonneneinstrahlung aktiv ist, reagiert Ozon ganztägig. Die neue Verbindung ist demzufolge das vierte Oxidationsmittel, welche umgangssprachlich auch als Waschmittel der Atmosphäre bezeichnet werden, da sie für saubere Luft sorgen und so eine lebenswichtige Funktion erfüllen.

Der Nachweis der neuen Verbindung gelang erst jetzt durch verbessere Messtechniken. Zum Einsatz kam dabei die Chemische Ionisationsmassenspektrometrie (CIMS). „Die Konzentrationen sind sehr gering und liegen lediglich in der Größenordnung von 10000 bis einige Millionen Molekülen pro Kubikzentimeter Luft. Um sie in unserem Laborexperiment nachweisen zu können, mussten wir unter Reinstbedingungen arbeiten“, berichtet Dr. Torsten Berndt vom Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung in Leipzig, der wie andere Forscher die Existenz einer weiteren Verbindung schon lange vermutet hatte.

Die neue Verbindung wurde gleich an drei Orten unabhängig voneinander nachgewiesen: im Labor des IfT in Leipzig von Dr. Torsten Berndt, im Labor des National Center for Atmospheric Research in Boulder in den USA von Dr. Lee Mauldin und in den finnischen Wäldern durch ein Team der Universität Helsinki um Dr. Mikko Sipilä. „Bei unseren Messungen über den Bäumen zeigte sich, dass die Verbindung im Gegensatz zum Hydroxylradikal kein Maximum um Mittag und kein Minimum in der Nacht hat. Diese Beobachtung deutet auf eine Quelle für Schwefelsäure hin, die nicht das Hydroxylradikal sein kann“, erläutert Dr. Mikko Sipilä von der Universität Helsinki.

„Dass die neue Verbindung gegenüber OH abends und nachts überwiegt, legt nahe, dass sie in Zusammenhang mit Oberflächenemissionen und der anschließenden Ozonchemie stehen könnte, die sich in der untersten Schicht der Atmosphäre abspielt“, vermutet Dr. Lee Mauldin III vom National Center for Atmospheric Research. „Die Reaktionen scheinen eng mit der Anwesenheit von Alkenen biogenen Ursprungs verknüpft.“ Solche Kohlenwasserstoffverbindungen werden von der Vegetation natürlich gebildet und sind daher über Wäldern in erhöhter Konzentration zu finden.

Die Autoren nennen die neue Verbindung zunächst provisorisch im Paper „X“. Mauldin, Berndt und Kollegen vermuten, dass es sich dabei um ein stabilisiertes Criegee-Intermediat handeln könnte. Diese Kohlenstoffverbindung mit zwei Radikalfunktionen wurde bereits in den 1950er Jahren vom deutschen Chemiker Rudolf Criegee theoretisch beschrieben. Ihre einfachste Form (CH2OO) wurde aber erst 2012 von anderen US-Amerikanischen und Britischen Wissenschaftlern in einem speziellen Laborexperiment hergestellt und nachgewiesen.

„Die von Mauldin, Berndt und Kollegen verwendete Messtechnik wurde bereits in verschiedensten Umgebungen eingesetzt. Es ist daher überraschend, dass dieses Hintergrundsignal in früheren Studien nicht aufgefallen ist. Die von den Autoren untersuchten Wälder bilden große Mengen an Alkenen und bieten so ideale Bedingungen für die Bildung von X. Weitere Messungen in anderen Umgebungen sind nötig, um die globale Bedeutung von X auf die Produktion von Schwefelsäure in der Atmosphäre besser abschätzen zu können“, schreibt Dr. Dwayne Heard von der Universität Leeds in seinem Kommentar zur Studie in NATURE.

Tilo Arnhold/ Haluka Maier-Borst

Originalpublikation:
R. L. Mauldin III, T. Berndt, M. Sipilä, P. Paasonen, T. Petaja, S. Kim, T. Kurten, F. Stratmann, V.-M. Kerminen & M. Kulmala (2012): A new atmospherically relevant oxidant of sulphur dioxide. NATURE. 9th August 2012, Vol. 488, 193-197. doi:10.1038/nature11278

http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7410/full/nature11278.html

Kommentar:
Dwavne Heard (2012): The X factor. NATURE. 9th August 2012, Vol. 488, 164-165. doi:10.1038/488164a

http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7410/full/488164a.html

Weitere Informationen:
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT)
Dr. Torsten Berndt/ Prof. Hartmut Herrmann, Abteilung Chemie
Tel. 0341-235-2348, -2446
und
Dr. Frank Stratmann, Arbeitsgruppe Wolken
Tel. 0341-235-2862
http://www.tropos.de/ift_personal.html
oder
via IfT-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. 0341-235-3210
sowie auf Englisch:
Roy Mauldin III (University of Helsinki, Finland)
E-mail: roy.mauldin@helsinki.fi
&
Dwayne Heard (University of Leeds, UK) N&V author
E-mail: d.e.heard@leeds.ac.uk
Links:
Wolken verändern die chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften von Partikeln (IfT-Pressemitteilung vom 02.08.2012):
http://idw-online.de/de/news490797
Nitrat: Nachtaktives Waschmittel für bodennahe Luftschichten (DLF, 13.07.2011):
http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1503607/
Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Ihr gehören zurzeit 87 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Infrastruktureinrichtungen für die Forschung sowie zwei assoziierte Mitglieder an. Die Ausrichtung der Leibniz-Institute reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesamtgesellschaftlich relevante Fragestellungen strategisch und themenorientiert. Dabei bedienen sie sich verschiedener Forschungstypen wie Grundlagen-, Groß- und anwendungsorientierter Forschung. Sie legen neben der Forschung großen Wert auf wissenschaftliche Dienstleistungen sowie Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Sie pflegen intensive Kooperationen mit Hochschulen, Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Das externe Begutachtungsverfahren der Leibniz-Gemeinschaft setzt Maßstäbe. Jedes Leibniz-Institut hat eine Aufgabe von gesamtstaatlicher Bedeutung. Bund und Länder fördern die Institute der Leibniz-Gemeinschaft daher gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen etwa 16.800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon sind ca. 7.800 Wissenschaftler, davon wiederum 3.300 Nachwuchswissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,4 Mrd. Euro, die Drittmittel betragen etwa 330 Mio. Euro pro Jahr.

Tilo Arnhold | Leibniz-Institut
Weitere Informationen:
http://www.leibniz-gemeinschaft.de
http://www.tropos.de/
http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7410/full/nature11278.html

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