Altbekannter Oxidationsmechanismus auch in der Atmosphäre aktiv – und das mit weitreichenden Folgen

Feldmessungen an der TROPOS-Station in Melpitz bei Leipzig halfen mit, die Zwischenprodukte auf dem Wege zur Bildung der ELVOCs zu identifizieren. In Melpitz zeigten sich deutlich der Einfluss der Vegetation und die Unterschiede zwischen Tag und Nacht. Foto: Tilo Arnhold/ TROPOS

Dass Kohlenwasserstoffe durch atmosphärischen Sauerstoff oxidiert werden können ist bereits seit 1875 bekannt. Bisher waren diese sogenannten “Autoxidationsprozesse“ jedoch nur in der kondensierten Phase erforscht.

Jetzt ist einem internationalen Wissenschaftlerteam unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) erstmals der Nachweis derartiger Prozesse in der Atmosphäre gelungen. In Laborexperimenten konnte mit Hilfe von neuesten analytischen Techniken der Mechanismus weitestgehend entschlüsselt werden, der dafür sorgt, dass Kohlenwasserstoffe, die aus der Vegetation in die Luft gelangen, auf einer kurzen Zeitskala von Sekunden in organische Produkte mit bis zu 12 Sauerstoff-Atomen umgewandelt werden können.

Diese hochoxidierten Produkte stellen extrem schwerflüchtige Verbindungen dar. Da diese das Partikelwachstum entscheidend vorantreiben können, werden so auch die Wolkenbildung und das Klimasystem beeinflusst, schreiben die Wissenschaftler aus Deutschland, Finnland und den USA im Fachjournal Angewandte Chemie. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, die Auswirkungen von natürlichen Emissionen der Vegetation auf das Klima besser zu verstehen.

Wälder geben große Mengen an flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) ab. Dazu gehören beispielsweise Alpha-Pinen und Limonen, der typische Duft von Nadelwäldern. Deren Reaktionsprodukte bilden das sogenannte sekundäre organische Aerosol. Dabei werden Gase zu Partikelbestandteilen umgewandelt.

Diese atmosphärischen Partikel können die Sonnenstrahlung reflektieren oder als Keime für Wolkentropfen fungieren. Prozesse, die großen Einfluss auf das Klima haben und daher von großem wissenschaftlichen Interesse sind. Allerdings sind die dazugehörigen Modellrechnungen bisher sehr ungenau, da es noch breite Wissenslücken dabei gibt, welche Rolle die von den Pflanzen abgegebenen Verbindungen für den Prozess der Partikelbildung und -wachstum genau spielen. Solange diese Prozesse aber nur unzureichend verstanden sind, fällt es schwer, genaue Prognosen zu machen. Eine Unsicherheit, die sich auch auf sämtliche Klimamodelle auswirkt.

Große Unsicherheiten bestehen vor allem beim Wachstum von neugebildeten Partikeln hin zu Wolkenkeimen, an denen Wasser kondensiert und dadurch die Wolkenbildung beginnt. Das Partikelwachstum in Größen von etwa zwei bis einhundert Nanometern würde schwerflüchtige organische Dämpfe erfordern, wurde lange spekuliert. Diese extrem schwer flüchtigen organischen Verbindungen – auf Englisch „extremely low-volatility organic compounds (ELVOCs)“ genannt – wurden erst vor kurzem durch Fortschritte in der Messtechnik nachweisbar. Anfang 2014 wurde dieser Nachweis im Fachmagazin NATURE veröffentlicht.

Über mögliche Bildungswege wurde anschließend in der Fachwelt spekuliert. Mit der jetzt veröffentlichten Studie von Wissenschaftlern des TROPOS und der Universität Helsinki in Zusammenarbeit mit amerikanischen Kollegen lösen die Atmosphärenchemiker einen weiteren Teil des Rätsels. Durch Laborversuche im Strömungsrohr des TROPOS sowie Feldmessungen in Melpitz bei Leipzig und im südfinnischen Hyytiäla konnten die Zwischenprodukte auf dem Wege zur Bildung der ELVOCs identifiziert werden.

„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die häufigsten Monoterpene wie Limonen und Alpha-Pinen innerhalb von Sekunden hochoxidierte RO2-Radikale mit bis zu 12 Sauerstoff-Atomen und nachfolgend die dazugehörigen nichtradikalischen Endprodukte bilden. Der Gesamtprozess in der Atmosphäre verläuft damit ähnlich zu dem bereits lange bekannten Autooxidationsprozess in der kondensierten Phase“, erklärt Dr. Torsten Berndt vom TROPOS. Unter Autooxidation wird in der Chemie ein Prozess verstanden, bei dem Stoffe mit Luftsauerstoff bei Umgebungstemperatur langsam umgewandelt werden. Diese Selbstoxidation sorgt zum Beispiel auch dafür, dass Kunststoffe spröde werden oder Lebensmittel verderben.

„Die Feldmessungen über den Wiesen von Melpitz und im Nadelwald von Hyytiäla in Finnland bestätigen die Laborergebnisse und weisen die Bedeutung der Autooxidation für die Oxidation der Kohlenwasserstoffe in der Atmosphäre nach. Die gebildeten hochoxidierten RO2-Radikale und ihre nichtradikalischen Endprodukte besitzen wahrscheinlich eine sehr geringe Flüchtigkeit. Deshalb sind sie für das Wachstum atmosphärischer Aerosole entscheidend und beeinflussen so die Wechselwirkungen zwischen Aerosol, Wolken und Klima“, unterstreicht Tujia Jokinen von der Universität Helsinki. Die neuen Erkenntnisse werden also helfen, den Beitrag der Vegetation und damit von verschiedenen Landnutzungsformen auf das Klima genauer abzuschätzen. Dadurch können auch die Klimamodelle verbessert werden, die bisher das Wachstum von Partikeln nicht zufriedenstellend beschreiben konnten.

Tilo Arnhold

Publikation:

Jokinen, T., Sipilä, M., Richters, S., Kerminen, V.-M., Paasonen, P., Stratmann, F., Worsnop, D., Kulmala, M., Ehn, M., Herrmann, H. and Berndt, T. (2014): Schnelle Autoxidation bildet hochoxidierte RO2-Radikale in der Atmosphäre (Rapid autoxidation forms highly oxidiced RO2 radicals in the atmosphere). Angewandte Chemie (International Edition). E-pub ahead of print. doi: 10.1002/ange.201408566 http://dx.doi.org/ 10.1002/ange.201408566

Die Untersuchungen wurden gefördert vom der Europäischen Kommission, der Finnischen Akademie und dem Europäischen Forschungsrat ERC (ATMNUCLE).

Weitere Infos:

Dr. Torsten Berndt, Prof. Hartmut Herrmann Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Tel. +49-341-2717-7032, -7024 http://www.tropos.de/institut/abteilungen/chemie-der-atmosphaere/  http://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/hartmut-herrmann/

und

Tuija Jokinen, Dr. Mikael Kristian Ehn, Universität Helsinki, Tel. +358-294-151698, -151076 https://tuhat.halvi.helsinki.fi/portal/en/persons/tuija-jokinen%28d67c0c24-6d64-4b49-9e49-83c388955556%29.html 

https://tuhat.halvi.helsinki.fi/portal/en/persons/mikael-kristian-ehn%280f9f7088-93e0-457a-863c-969037a64ebf%29.html

oder

Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit, Tel. +49-341-2717-7060 http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/

Links:

Forschung zur Partikelneubildung (Nukleation) am TROPOS: http://www.tropos.de/forschung/atmosphaerische-aerosole/prozessstudien-auf-kleinen-zeit-und-raumskalen/partikelneubildung-und-prozessierung-sekundaeraerosol/partikelneubildung-nukleation/ueberblick/  

Pressemitteilungen zum Thema:

Neue Gasphasenverbindungen bilden organische Partikelbestandteile (Pressemitteilung vom 26.02.2014) http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/neue-gasphasenverbindungen-bilden-organische-partikelbestandteile/

Pflanzen bremsen die Klimaerwärmung (Pressemitteilung vom 28.04.2013) http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/pflanzen-bremsen-die-klimaerwaermung/

NATURE: Neues Oxidationsmittel der Atmosphäre entdeckt, das Luftschadstoffe abbaut (Pressemitteilung vom 08.08.2012) http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/nature-neues-oxidationsmittel-der-atmosphaere-entdeckt-das-luftschad/

Wolken verändern die chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften von Partikeln (Pressemitteilung vom 02.08.2012) http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/wolken-veraenderen-die-chemische-zusammensetzung-und-die-eigenschaften/ 

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 89 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Deren Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevante Fragestellungen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Grundlagenforschung. Sie unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an.
Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Institute pflegen intensive Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der WissenschaftsCampi – , mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem maßstabsetzenden transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 17.200 Personen, darunter 8.200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 1,5 Milliarden Euro.
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