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Wüstenstaub sorgt für mehr Schwefelsäure in der Atmosphäre

04.12.2012
Wissenschaftler haben einen neuen Mechanismus in der Atmosphäre entdeckt, bei dem Wüstenstaub eine wichtige Rolle spielt. In einer Reihe von Reaktionen entstehen unter UV-Licht zunächst gasförmige Schwefelsäure und anschließend daraus Sulfate.

Bei diesen chemischen Prozessen wirken Metalloxide aus Mineralstaub, der in großer Menge aus Wüsten in die Atmosphäre gelangt, als Katalysator, schreiben die Wissenschaftler der Universität Lyon und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) im renommierten US-Journal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS).


Staubereignis am 15.03.2009 in Wuqing bei Beijing/Peking. An Tagen wie diesen ist der Staub am Himmel direkt zu sehen. Foto: Bettina Nekat/TROPOS


Peking zählt zu den Megacities mit den größten Problemen bei der Luftqualität weltweit. Der zunehmende Autoverkehr ist eine von vielen Ursachen dafür. Selbst an sonnigen Tagen wird der Himmel oft nicht blau. Foto: Bettina Nekat/TROPOS

Zu diesen Erkenntnissen haben neben Experimenten im Labor und Freiland in Lyon auch Untersuchungen des TROPOS während einer Feldkampagne in China entscheidend beigetragen.

Pro Jahr gelangen geschätzte ein bis drei Milliarden Tonnen mineralische Staubteilchen in die Atmosphäre. Diese Mineralstaubteilchen beeinflussen die Strahlungseigenschaften, den Wasserkreislauf und die Chemie der Atmosphäre. Durch zunehmende Wüstenausbreitung in den Trockengebieten wird damit gerechnet, dass die Menge und die Wirkung des Mineralstaubes künftig noch weiter wachsen wird. Seit diesem Jahr unterhalten daher die Universität Leipzig und das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung eine gemeinsame Doktorandenausbildung: die Leibniz-Graduiertenschule "Aerosole, Wolken, Strahlung: Mineralstaub". Bei Untersuchungen zu Aerosolen, Wolken und deren Auswirkungen auf das Klimasystem der Erde nimmt Leipzig inzwischen weltweit eine herausragende Stellung ein.

Während des Auf-und Abstiegs reagieren die Mineralstaubteilchen mit Schwefeldioxid (SO2) und anderen atmosphärischen Spurengasen. Während bisher angenommen wurde, dass die Anwesenheit von Staubteilchen die Bildung von Schwefelsäurepartikeln durch Nukleation (also die Bildung neuer Partikel) unterdrückt, zeigen die neuen Untersuchungen, dass über die Anwesenheit von Staubteilchen die Schwefelsäurebildung befördert werden kann. Bei ihren Arbeiten entdeckten die französischen und deutschen Forscher nun die Bildung neuer Partikel über einen bisher unbekannten Reaktionsweg der Partikelnukleation von Schwefelsäure in der Troposphäre.

Dabei spielen die Halbleiter-Eigenschaften von mineralischen Staubpartikeln eine entscheidende Rolle als Fotokatalysator. „Unsere Beobachtungen im IRCELYON-Labor deuten darauf hin, dass die Fotochemie des Staubes zur Bildung von gasförmiger Schwefelsäure als Zwischenprodukt führen kann, die entweder teilchenförmiges Sulfat oder unter staubarmen Beladungen zumindest neue Partikelkeime zur Folge hat“, berichtet Dr. Yoan Dupart von der Université Claude Bernard in Lyon. Die Metalloxide in den Staubpartikeln wirken als Fotokatalysator, die die Bildung gasförmiger OH-Radikale unterstützen, die wiederum die Umwandlung von Schwefeldioxid in Schwefelsäure in der Nähe der Staubpartikel starten.

Eine intensive Messkampagne in der Region um Chinas Hauptstadt Peking zeigte starke Staubereignisse einen Tag bevor die Wissenschaftler Partikelneubildung beobachteten. "Hohe Konzentrationen von mineralischen Staubpartikeln konnten wir auch noch am folgenden Morgen feststellen. Die Luft hatte zuvor die Gobiwüste passiert", berichtet Bettina Nekat vom TROPOS, die ihre Doktorarbeit über die chemische Zusammensetzung der Partikel schreibt. Im Winter und Sommer 2009 haben Wissenschaftler/Innen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung zusammen mit der Universität Peking jeweils einen Monat lang umfassende Messungen im Rahmen des Rahmen Projektes HaChi (Haze in China) durchgeführt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurde. Die Ballungsräume um die Hauptstadt Peking und die Hafenstadt Tianjin leiden häufig unter schwerer Luftverschmutzung und geringer Sichtweite. Ursache dafür sind Schadstoffemissionen, die unter bestimmten Bedingungen zur Bildung von Dunst führen - verursacht durch den starken Zuwachs in Wirtschaft und Bevölkerung der letzten Jahrzehnte. Verschärft wird die Situation zusätzlich durch Sandstürme aus der Gobiwüste, wie die neuen Erkenntnisse nun unterstreichen.

"Die Kombination aus Labor- und Felduntersuchungen belegt insgesamt klar, dass die Halbleiter-Eigenschaften der atmosphärischen Staubteilchen zu neuen chemischen Eigenschaften führen, die die Bildung von Aerosolpartikeln im Zusammenhang mit Staub in der Troposphäre beeinflussen“, fasst Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS zusammen. Prof. Herrmann war während seines Forschungsaufenthalts im Sommer 2011 in Lyon auch mit den zugehörigen Laboruntersuchungen beschäftigt. Im Sommer 2013 wollen die Leipziger erneut im Großraum Peking messen.

Tilo Arnhold

Publikation:
Yoan Dupart, Stephanie M. King, Bettina Nekat, Andreas Nowak, Alfred Wiedensohler, Hartmut Herrmann, Gregory David, Benjamin Thomas, Alain Miffre, Patrick Rairoux, Barbara D’Anna and Christian George (2012): Mineral dust photochemistry induces nucleation events in the presence of SO2. PNAS. Early Edition.
DOI: 10.1073/pnas.1212297109
http://www.pnas.org/cgi/content/short/1212297109
http://www.pnas.org/content/early/recent
Die Untersuchungen wurden vom Französisch-Deutschen Atmosphärenforschungsprogramm, der Agence Nationale de la Recherche (Projekt PHOTODUST), dem regionalen Rhône-Alpes-Umweltforschungsprogramm, der Europäischen Union (FP7-Projekt PEGASOS) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Projekt HaChi) gefördert.
Beteiligte Institute:
Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Unité Mixte de Recherche (UMR) - Université de Lyon 1, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig und Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire, CNRS,- Université Lyon 1
Weitere Infos:
Dr. Yoan Dupart
CNRS/ Université Claude Bernard Lyon 1
http://www.univ-lyon1.fr/m-dupart-yoan-642667.kjsp?RH=ACCUEIL
und
Prof. Hartmut Herrmann, Bettina Nekat, Prof. Alfred Wiedensohler
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Tel. 0341-2717-7024, -7175, -7062
http://www.tropos.de/info/herrmann_h.pdf
http://www.tropos.de/info/wiedensohler_a.pdf
Links:
Welche Partikel machen die Luft dunstig? (Pressemitteilung vom 20.09.2012):
http://idw-online.de/de/news497367
Erneut Saharastaub über Deutschland (Pressemitteilung vom 20.08.2012):
http://idw-online.de/de/news492423
Welche Auswirkungen hat der Staub aus Afrika auf das Klima in der Karibik? (Pressemitteilung vom 02.08.2012):
http://idw-online.de/de/news490795
Neue Graduiertenschule untersucht Wirkung von Mineralstaub in der Atmosphäre (Pressemitteilung vom 31.07.2012):
http://idw-online.de/de/news490360
http://www.lgs-car.tropos.de/
Licht lässt Partikel wachsen. Forscher entdecken neuen Mechanismus in der Atmosphäre (Pressemitteilung vom 23.05.2012):

http://idw-online.de/de/news479158

EU-Projekt PEGASOS (Pan-European-Gas-AeroSOI-Climate Interaction Study):
http://pegasos.iceht.forth.gr/
http://www.bmbf.de/press/3272.php
Portrait of Global Aerosols:
http://www.spektrum.de/alias/bilder-der-woche/die-spur-der-teilchen/1171371
http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_2393.html

Tilo Arnhold | Leibniz-Institut
Weitere Informationen:
http://ww.tropos.de
http://www.pnas.org/cgi/content/short/1212297109

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