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Superwaschgang in der Atmosphäre

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Ein bislang unbekannter Verstärkungsmechanismus vergrößert die Selbstreinigungskräfte der Atmosphäre um das Drei- bis Fünffache. Ein internationales Forscherteam, darunter Jülicher Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Andreas Wahner, hat herausgefunden, dass Hydroxyl-Radikale – das Waschmittel der Atmosphäre – auch ohne Beteiligung von Stickoxid recycelt werden können. Die Ergebnisse wurden heute vorab online im „Science-Express“ veröffentlicht.

Ab zehn Uhr morgens schaltet der atmosphärische Schadstoffabbau in der stark verschmutzten Luft über dem Perlflussdelta in Südchina in den Turbogang. Jülicher Forscher hatten dort gemeinsam mit chinesischen und japanischen Kollegen und in enger Zusammenarbeit mit der Peking Universität im Juli 2006 umfangreiche Messungen durchgeführt, bei denen sie den Tagesverlauf der Konzentrationen aller am „Waschprozess“ beteiligten Eingangs- und Ausgangssubstanzen aufzeichneten. Regelmäßig ab dieser Uhrzeit fanden sie eine erhöhte Konzentration des als „atmosphärischem Waschmittel“ bekannten Hydroxyl-Radikals (OH-Radikal). Die Messungen der Wissenschaftler zeigen, dass für diese erhöhte Konzentration ein bisher unbekannter Verstärkungsmechanismus verantwortlich sein muss, der – anders als der bekannte Mechanismus – wenig Ozon erzeugt.

Die erste Überraschung nach Auswertung der Messreihen war für die Wissenschaftler die relativ hohe Konzentration an OH-Radikalen von 15 Millionen Molekülen pro Kubikzentimeter um die Mittagszeit herum und die damit verbundene hohe Abbaugeschwindigkeit für Schadstoffe. Die zweite Überraschung: Die naheliegende Vermutung, dass nämlich die verbrauchten OH-Radikale durch das Vorhandensein einer entsprechend hohen Stickoxid-Konzentration sofort recycelt wurden, wie normalerweise üblich, erwies sich als falsch. Die gemessene Stickoxid-Konzentration war viel zu niedrig.

Hydroxyl-Radikale (OH-Radikale) sind hochreaktive Verbindungen, die aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom bestehen. Sie reagieren mit den meisten Luftschadstoffen wie zum Beispiel Stickoxiden, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffen und wandeln diese in eine wasserlösliche Form um. Mit dem nächsten Regen werden diese Stoffe dann aus der Atmosphäre entfernt.
OH-Radikale werden in der unteren Atmosphärenschicht unter anderem durch die Spaltung von Ozon gebildet. Die dafür notwendige Energie liefert das Sonnenlicht. Doch ausschlaggebender für die Aufrechterhaltung einer hohen Konzentration von OH-Radikalen in der Atmosphäre ist die Tatsache, dass die Radikale nach der Reaktion mit einem Schadstoffmolekül in der Regel in einem chemischen Kreislauf recycelt werden und damit für weitere „Waschgänge“ zur Verfügung stehen. Voraussetzung dafür ist aber eine ausreichend hohe Stickoxid-Konzentration in der Luft.

Aufgrund der Messdaten konnte das Jülicher Team um Dr. Andreas Hofzumahaus und Dr. Franz Rohrer erstmals durch direkte Messungen des kompletten OH-Radikal-Kreislaufs nachweisen, dass ein bisher unbekannter Entstehungsmechanismus für die hohe OH-Konzentration verantwortlich ist. Die weitere Analyse mit Hilfe von Simulationsrechnungen zeigte: In der Luft über dem Perlflussdelta muss ein bisher unbekannter Mechanismus vorhanden sein, der den Kreislauf der OH-Radikale um ein Vielfaches verstärkt. Ähnlich unerklärlich hohe OH-Radikal-Konzentrationen und gleichzeitig niedrige Stickoxid-Konzentrationen waren bereits in ländlichen, bewaldeten Gebieten in Nordamerika und im tropischen Regenwald von Suriname gefunden worden. Der unbekannte Mechanismus soll jetzt mittels Experimenten in der Jülicher Atmosphären-Simulationskammer SAPHIR und in weiteren Messkampagnen aufgeklärt werden.

Eine wichtige Konsequenz hat die Entdeckung der Forscher für die Vorhersagbarkeit bodennaher Ozonkonzentrationen: Ozon wird in der unteren Atmosphärenschicht nach bisherigem Wissen als Folgeprodukt des erwähnten OH-Kreislaufs mit Stickoxid-Beteiligung erzeugt. Bisher ging man davon aus, dass für jedes abgebaute Schadstoff-Molekül ein bis zwei Ozon-Moleküle entstehen. Das ist jetzt hinfällig – jedenfalls solange, bis der neu entdeckte Recycelmechanismus verstanden ist.

paper:
Science Express 04 June 2009
http://www.sciencexpress.org

Amplified trace gas removal in the troposphere
Andreas Hofzumahaus, Franz Rohrer, Keding Lu, Birger Bohn, Theo Brauers, Chih-Chung Chang, Hendrik Fuchs, Frank Holland, Kazuyuki Kita, Yutaka Kondo, Xin Li, Shengrong Lou, Min Shao, Limin Zeng, Andreas Wahner, Yuanhang Zhang

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Annette Stettien | Quelle: Forschungszentrum Jülich GmbH
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