Rätsel geknackt: Wie Feinstaub erst in der Luft entsteht

So konnte erstmals geklärt werden, welche Rolle einzelne Bestandteile der Abgase für die Feinstaubbildung spielen.

Feinstaub macht krank und Feinstaub beeinflusst das Klima. Dabei entsteht nur ein Teil des Feinstaubs unmittelbar bei der Verbrennung von Treibstoffen oder Holz – der Rest bildet sich erst in der Atmosphäre aus unterschiedlichen Substanzen, die zum Teil aus Abgasen, aber auch aus natürlichen Quellen wie zum Beispiel Wäldern, stammen.

Forschende des Paul Scherrer Instituts, der University of Colorado und 29 weiterer Forschungseinrichtungen aus verschiedenen Ländern haben nun die Zusammensetzung der organischen Anteile des Feinstaubs für verschiedene Regionen der Welt untersucht und bestimmt, aus welchen Ursprungssubstanzen er sich jeweils bildet. So konnte erstmals geklärt werden, welche Rolle einzelne Bestandteile der Abgase für die Feinstaubbildung spielen. Die Untersuchungen dürften helfen, in Zukunft gezielt die Feinstaubbildung zu vermeiden und dadurch unter anderem zu besserer Luft in den Innenstädten beizutragen. Sie werden auch eine wichtige Rolle für zukünftige Klimamodelle spielen. Die Ergebnisse erscheinen am 11. Dezember im angesehenen Wissenschaftsjournal Science.

Komplexe Vorgänge in der Atmosphäre – aufs Wesentliche reduziert

Eine grosse Vielfalt an chemischen Vorgängen, bei denen grössere Moleküle in kleinere zerfallen können oder sich kleine Moleküle zu grösseren zusammenschliessen und an Feinstaubkörnchen anlagern können, findet laufend in der Atmosphäre statt. Um die wesentlichen Veränderungen der organischen Materie in der Atmosphäre zu verstehen, ist es aber nicht nötig, jede einzelne der vielen Tausend Substanzen zu verfolgen, die in der Luft enthalten sind. Wie die Forschenden zeigen konnten, reichte es, wenige bestimmte chemische Eigenheiten der Substanzen zu untersuchen, die für das Verhalten in der Atmosphäre entscheidend sind. „Zum Beispiel ist das Verhältnis von Sauerstoff- zu Kohlenstoffgehalt in einer Substanz wesentlich dafür, ob diese Wasser aufnimmt und damit, ob die Feinstaubkörnchen Keime für die Wolkenbildung sein können“, erklärt André Prévôt, der das Projekt federführend am Paul Scherrer Institut betreut.

Im PSI-Labor Entstehung von Feinstaub nachgestellt

Die stete chemische Umwandlung in der Atmosphäre führt auch dazu, dass der Feinstaub in fast allen Weltgegenden ähnlich aufgebaut ist – unabhängig von den genauen Ausgangsstoffen. In ihrer Arbeit zeigen die Forschenden, dass es dennoch möglich ist, die Eigenschaften der Ausgangsstoffe aus dem Feinstaub zu rekonstruieren. Dazu haben sie zuvor in der Smogkammer des Paul Scherrer Instituts die Veränderungen einzelner Stoffe in der Atmosphäre simuliert. „Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnten wir mit einem aufwendigen statistischen Verfahren bestimmen, welcher Art die Ausgangsstoffe waren, aus denen der Feinstaub entstanden ist. Mit zusätzlichen Verfahren wie der C14-Methode kann man dann auch die genauen Quellen bestimmen – ob zum Beispiel die Substanzen aus dem Wald oder aus Abgasen stammen“ erklärt Urs Baltensperger, Leiter des Labors Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut.

Feinstaub an verschiedenen Orten: Gefahr für die Gesundheit und Keim für die Wolkenbildung

Die detaillierten Untersuchungen der Feinstaubzusammensetzung machte ein neuartiges Gerät – ein spezielles Massenspektrometer – möglich, mit dem man minutengenau die Luftzusammensetzung bestimmen kann. Insgesamt haben die Forschenden an 26 verschiedenen Orten der Nordhalbkugel gemessen. Das PSI war für zwei sehr verschiedene Orte in der Schweiz zuständig: die Zürcher Innenstadt und das Jungfraujoch. Die Zürcher Messung war dabei vor allem wegen des Einflusses von Abgasen auf die Gesundheit wichtig, die Messung auf dem Jungfraujoch konzentrierte sich auf Fragen der Wolkenbildung.

Die Arbeit der PSI-Forschenden wurde vom Schweizerischen Nationalfonds SNF unterstützt.

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Ansprechpartner:

Dr. André Prévôt, Leiter der Arbeitsgruppe Gasphasen- and Aerosol-Chemie, Paul Scherrer Institut, Telefon: +41 (0)56 310 42 02, E-Mail: andre.prevot@psi.ch

Prof. Dr. Urs Baltensperger, Leiter des Labors für Atmosphärenchemie, Paul Scherrer Institut, Telefon: +41 (0)56 310 24 08, E-Mail: urs.baltensperger@psi.ch