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Erste Zwischenprodukte der Reaktionen vom „Waschmittel der Atmosphäre“ direkt nachweisbar

15.05.2019

Wichtige chemische Reaktionen der Atmosphäre sind jetzt mit sehr empfindlichen Geräten erstmals im Labor direkt zu beobachten. Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) konnten erste Zwischenprodukte der Reaktion von Hydroxyl-Radikalen mit Isopren gemessen werden. Beide Stoffe spielen eine wichtige Rolle für Klima und Luftqualität: Das Hydroxyl-Radikal gilt als „Waschmittel der Atmosphäre“. Isopren ist nach Methan der zweithäufigste Kohlenwasserstoff. Dadurch wird eine bessere Beschreibung der Isopren-Reaktionen in den Atmosphärenmodellen möglich, schreibt das Team von TROPOS, Universität Helsinki und Universität Innsbruck im Journal „Communications Chemistry“.

Das neue Open-Access-Journal von Nature veröffentlicht nach eigenen Angaben vor allem über Forschungsarbeiten, die bedeutende Fortschritte sind und neue Erkenntnisse in ein spezialisiertes Forschungsgebiet der Chemie liefern.


Laboraufbau des Freistrahl-Experimentes am TROPOS in Leipzig, das die Untersuchung der frühen Phase von Oxidationsreaktionen unter atmosphärischen Bedingungen ermöglicht.

Torsten Berndt, TROPOS

Natürliche und vom Menschen verursachte Prozesse sorgen dafür, dass pro Jahr Kohlenstoff in der Größenordnung von mehreren Milliarden Tonnen in die Atmosphäre gelangt und dort an verschiedensten chemischen Reaktionen beteiligt ist.

Die Abbauprodukte spielen eine wichtige Rolle sowohl für die menschliche Gesundheit als auch für den Strahlungshaushalt der Erde und damit das Klima. Wegen der Komplexität ist das Verständnis der einzelnen Reaktionswege für die Atmosphärenchemie eine große Herausforderung.

Von besonderem Interesse für die Atmosphärenchemie ist dabei Isopren (C5H8), das neben Methan der häufigste Kohlenwasserstoff in der Erdatmosphäre ist. Geschätzt 600 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr werden davon in die Erdatmosphäre abgegeben.

Es ist also der zweithäufigste Kohlenwasserstoff unter den flüchtigen organischen Verbindungen, die etwa zu 90 Prozent aus natürlichen Quellen wie der Vegetation stammen. Mit veränderter Landnutzung kann sich die Menge des Isopren in der Atmosphäre in Zukunft stark verändern – z.B. wenn große Waldflächen abgeholzt oder aufgeforstet werden.

Es ist deshalb wichtig, die chemischen Reaktionen dazu zu kennen, um die Auswirkungen der Landnutzung auf die Atmosphärenchemie und damit auf Klima und Luftqualität besser abschätzen zu können.

Der Abbauprozess von Isopren wird durch die Reaktion mit atmosphärischen Oxidationsmitteln eingeleitet, wobei die Reaktion mit OH-Radikalen am Wichtigsten ist. Die folgenden Oxidationspfade und Reaktionsprodukte beeinflussen die troposphärische Chemie, insbesondere in Isopren-dominierten Gebieten wie in den Tropen oder anderen großen Waldgebieten.

Das mechanistische Verständnis der OH+Isopren-Reaktion in der Atmosphäre war bisher bereits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen und der Fortschritt ist eng mit der Entwicklung analytischer Techniken und der Verbesserung theoretischer Berechnungen verbunden.

„Für unsere Laborversuche haben wir ein Freistrahl-Experiment genutzt, das die Untersuchung der frühen Phase von Oxidationsreaktionen unter atmosphärischen Bedingungen ermöglicht, ohne dass dabei die Wände das Reaktionsverhalten beeinflussen. Dieses Strömungssystem wurde in Zusammenarbeit mit Verfahrenstechnikern entwickelt, um Wandverluste und mögliche heterogene Wandreaktionen, insbesondere von reaktiven Zwischenprodukten wie Criegee-Intermediate und RO2-Radikale, zu vermeiden“, erklärt Dr. Torsten Berndt vom TROPOS.

Dadurch wurde es möglich, die Zwischen- und Abbauprodukte über chemische Ionisations-Massenspektrometrie direkt zu beobachten. Quantenchemische Berechnungen unterstützen dabei die gewählten Ionisierungsmethoden. Die erreichten Nachweisgrenzen für oxidierte Verbindungen liegen bei 1.000 bis 10.000 Molekülen pro Kubikzentimeter, d.h. deutlich unter ppq-Wert (part-per-quadrillion), der einem von einer Billiarde Molekülen entspricht.

„Die Reaktionsbedingungen können so gewählt werden, dass nur die Bildung von primär gebildeten RO2-Radikalen und deren unimolekulare Wege untersucht werden können. Bei steigenden RO2-Radikalkonzentrationen werden die Selbst- und Kreuzreaktionen der RO2-Radikale immer wichtiger und ihre Produkte sind nachweisbar.

Die Zugabe eines zweiten Reaktanten, wie beispielsweise NO- oder HO2-Radikale, ermöglicht die Verfolgung der Produktbildung aus diesen bimolekularen RO2-Radikalreaktionen. Insgesamt ist mit dieser Technik ein direkterer Einblick in die RO2-Radikalprozesse in der Anfangsphase einer Reaktion möglich“, fasst Berndt zusammen.

Durch die Untersuchungen wurde es möglich, bestimmte Produktkanäle der Reaktion von Hydroxyl-Radikalen mit Isopren quantitativ besser zu bestimmen. Die Ergebnisse erlauben eine verbesserte Beschreibung des Isoprenabbaus in Modellen zur Beschreibung der Gasphasen-Chemie in der Atmosphäre. Tilo Arnhold

Links:
Behind the paper: Deeper insight into elementary processes of atmospheric gas-phase reactions
https://chemistrycommunity.nature.com/users/208292-torsten-berndt/posts/44523-de...

Rasante Paarbildung – Nachweis eines neuen Reaktionsweges in der Atmosphäre (TROPOS-Pressemitteilung vom 28.03.2018)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/rasante-paarbildung-n...

Untersuchungen zu OH-Radikal-/Ozonolysereaktionen am TROPOS
https://www.tropos.de/forschung/aerosol-wolken-wechselwirkungen/prozessstudien-a...

TROPOS-Laboruntersuchungen zu Partikelbildung und frühes Wachstum
https://www.tropos.de/forschung/atmosphaerische-aerosole/prozessstudien-auf-klei...
https://www.tropos.de/forschung/atmosphaerische-aerosole/prozessstudien-auf-klei...

Communications Chemistry first year
https://www.nature.com/collections/heecacgdhi

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Torsten Berndt
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Abteilung Chemie der Atmosphäre
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Tel. +49 341 2717- 7032
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/torsten-berndt/
und
Prof. Hartmut Herrmann
Leiter der Abteilung Chemie der Atmosphäre
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Tel. +49 341 2717- 7024
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/hartmut-herrmann/

Originalpublikation:

Berndt, T., Hyttinen, N., Herrmann, H. & Hansel, A. First oxidation products from the reaction of hydroxyl radicals with isoprene for pristine environmental conditions. Communications Chemistry 2, 21 (2019).
https://doi.org/10.1038/s42004-019-0120-9
Die Untersuchungen wurden gefördert von der Academy of Finland und unterstützt vom CSC–IT Center for Science, Finland.

Weitere Informationen:

https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/erste-zwischenprodukt...

Tilo Arnhold | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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