Erstmals Ammoniak in der oberen Troposphäre nachgewiesen

Verteilung des atmosphärischen Ammoniakgehalts im Juni, Juli und August 2008 in 15 Kilometer Höhe aus MIPAS Beobachtungen. Helle Gebiete sind Messlücken aufgrund hoher Bewölkung. Abbildung: Michael Höpfner / KIT

Ammoniak, eine chemische Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff, entsteht vor allem durch landwirtschaftliche Prozesse, besonders bei der Viehhaltung und bei der Düngemittelanwendung. Möglich wurde die weitverbreitete Anwendung von Ammoniak als Ausgangsstoff für Düngemittel durch die Entwicklung der künstlichen Ammoniaksynthese vor mehr als 100 Jahren in Karlsruhe.

Die höchsten Ammoniakemissionen sind heute in Nordindien und Südostchina festzustellen. Infolge von Bevölkerungswachstum und Erderwärmung werden die Ammoniakemissionen zukünftig weltweit stark zunehmen. Gasförmiges Ammoniak reagiert mit Säuren wie Schwefelsäure oder Salpetersäure zu den entsprechenden Ammoniumsalzen.

Allerdings wirkt Ammoniak nicht nur als Schadstoff, der Ökosysteme belastet. Die Partikel der Ammoniumsalze können sich aneinanderlagern und Aerosolpartikel bilden, die als Kondensationskerne bei der Wolkenbildung wirken. Solche vom Menschen verursachten Aerosole wirken in der Atmosphäre kühlend und könnten einen Teil des anthropogenen Treibhauseffekts kompensieren.

Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, die vertikale Verteilung von atmosphärischem Ammoniak zu bestimmen. Untersuchungen zum Vorkommen von Ammoniak in der mittleren und oberen Troposphäre – diese stellt die unterste Schicht der Atmosphäre dar – lagen bisher kaum vor. Nun haben Forscher des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (IMK-ASF) des KIT sowie der University of Colorado at Boulder und der Universidad Nacional Autónoma de México zum ersten Mal Ammoniak in der oberen Troposphäre nachgewiesen.

Sie werteten dazu Messungen aus, die das Infrarot-Spektrometer MIPAS auf dem europäischen Umweltsatelliten Envisat in den Jahren 2002 bis 2012 vornahm. Das am KIT konzipierte MIPAS zeichnete hochaufgelöste Spektren im mittleren Infrarotbereich auf, in denen sich Gase eindeutig identifizieren lassen – jedes Gas sendet eine spezifische Infrarotstrahlung aus.

Die Wissenschaftler errechneten den Durchschnitt dreimonatlicher Messungen in Gebieten von je zehn Grad Länge und zehn Grad Breite. So wiesen sie in zwölf bis 15 Kilometern Höhe im Bereich des asiatischen Monsuns eine erhöhte Konzentration an Ammoniak bis zu 33 pptv (33 Moleküle NH3 pro Billion Luftmoleküle) nach. Ähnlich hohe Konzentrationen traten zu keiner anderen Jahreszeit und in keiner anderen Region auf.

„Die Beobachtungen zeigen, dass Ammoniak beim Aufsteigen der Luft in der Monsunzirkulation nicht vollständig ausgewaschen wird und so von der bodennahen Grenzschicht, wo das Gas in relativ hoher Konzentration vorkommt, in die obere Troposphäre gelangt“, erklärt Dr. Michael Höpfner, Leiter der Gruppe Fernerkundung von Flugzeugen und Ballons am IMK-ASF des KIT. „Daher ist anzunehmen, dass ein Teil der Asiatischen Tropopausen-Aerosolschicht aus Ammoniumsalzen besteht.“

Außerhalb des Bereichs des asiatischen Monsuns liegen die Konzentrationen von Ammoniak in der oberen Troposphäre unterhalb der Nachweisgrenze von wenigen pptv, wie die Forscher feststellten. Diese Erkenntnis kann dazu beitragen, globale Modelle zu verfeinern.

Was den asiatischen Monsunbereich betrifft, soll 2017 eine große Messkampagne mit dem Instrument GLORIA, einer neuartigen Infrarot-Kamera, welche die von den atmosphärischen Gasen ausgesandte Wärmestrahlung in ihre Spektralfarben zerlegt, zeitlich und räumlich – horizontal und vertikal – deutlich feiner aufgelöste Ergebnisse zur Ammoniakkonzentration nahe der Tropopause – der Grenzfläche zwischen Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre – liefern.

Michael Höpfner, Rainer Volkamer, Udo Grabowski, Michel Grutter, Johannes Orphal, Gabriele Stiller, Thomas von Clarmann, and Gerald Wetzel: First detection of ammonia (NH3) in the Asian summer monsoon upper troposphere. Atmospheric Chemistry and Physics, 2016. DOI: 10.5194/acp-16-14357-2016

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