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Innsbruck (universität) - Mit modernsten massenspektrometrischen Methoden haben Wissenschaftler aus Leipzig
und Innsbruck die Bedeutung eines chemischen Reaktionsweges in der Atmosphäre aufgedeckt. Die Selbstreaktionen
von Peroxyl-Radikalen wurden bisher unterschätzt und in Atmosphärenmodellen nicht berücksichtigt.
Die Erdatmosphäre besteht aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Aerosolen und zahlreichen Spurengasen. Die komplexen
chemischen Prozesse zwischen diesen Stoffen lassen sich nur schwierig untersuchen und werden deshalb bis heute
nicht zur Gänze verstanden. Beim CLOUD-Experiment am CERN wird die Atmosphäre in einer hochreinen Kammer
realistisch nachgebildet. Unter Beteiligung der Arbeitsgruppe um Armin Hansel vom Institut für Ionenphysik
und Angewandte Physik der Universität Innsbruck konnten hier wichtige Prozesse bei der Partikel-Neubildung
in der Atmosphäre bereits aufgeklärt werden. Um jedoch rasch ablaufende chemische Prozesse realistisch
nachzubilden, reichen auch diese Untersuchungen nicht aus. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts
für Troposphärenforschung in Leipzig hat der Physiker Armin Hansel nun die Reaktionen von Kohlenwasserstoffen
im Labor untersucht. Die Forscher nutzten dazu modernste, in Innsbruck und Leipzig entwickelte massenspektrometrische
Methoden, die bei dem Experiment zum ersten Mal zum Einsatz kamen. Dabei wurde der atmosphärische Abbau von
aromatischen Verbindungen im Detail untersucht, der in urbanen Regionen eine wichtige Rolle spielt.
Mögliche Quelle von Aerosolen
Bei der Untersuchung kam eine spezielle in Leipzig entwickelte Apparatur zum Einsatz, in der eine geschichtete
Strömung erzeugt wird, die verhindert, dass die Reaktionsprodukte rasch mit der Wand des Strömungsreaktors
reagieren. Am Ende des Glaszylinders können so Reaktionsprodukte gemessen werden, die in den ersten acht Sekunden
entstehen. „Wir können die in diesem Zeitfenster entstandene Reaktionsprodukte von Kohlenwasserstoffen und
den Oxidationsmitteln wie Ozon und OH-Radikale messen“, erzählt Armin Hansel. Die Analyse der Messdaten machte
ein überraschendes Detail sichtbar: Bisher war man davon ausgegangen, dass die entstehenden Peroxyl-Radikale
nur sehr langsam miteinander reagieren. „Wir sehen in unseren Messergebnissen, dass hochoxidierte Peroxyl-Radikale
in dieser relativ kurzen Zeit entstehen und miteinander kovalent gebundene Aufbauprodukte („Paare“) bilden, die
das Kohlenstoffgerüst beider Peroxyl-Radikale beinhalten“, erzählt Armin Hansel. „Dies bedeutet auch,
dass sie in kürzester Zeit nicht mehr volatil sind und als wirksame Quelle für sekundäre organische
Aerosole von Bedeutung sein können.“
Bisher stark unterschätzt
„Unsere neuen Messmethoden ermöglichen es, die ersten Oxidationsprodukte unter fast natürlichen Bedingungen
zu messen und damit die ersten Schritte der Oxidationskette im Detail mitzuverfolgen“, zeigt sich Hansel begeistert.
„Das ist eine ganz neue Chemie, die noch nicht beobachtet wurde.“ Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Selbstreaktion
von Peroxyl-Radikalen kaum Aufbauprodukte bildet. Diese Annahme ist offensichtlich nur für kleine kurzkettige
Peroxyl-Radikale, die in der Vergangenheit untersucht wurden, richtig. „Die Selbstreaktion der Peroxyl-Radikale
läuft so rasch ab, dass sie durchaus in Konkurrenz zur Reaktion mit Stickstoffmonoxid (NO) treten kann und
damit auch für urbane Regionen relevant ist, wo Stickoxide mit relativ hoher Konzentration vorkommen.“ In
Zukunft wollen die Forscher mit den neuen Methoden auch die Reaktionen von Kohlenwasserstoffen aus natürlichen
Quellen untersuchen.
Finanziell unterstützt wurden die Forschungen von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft
FFG.
Publikation: Accretion Product Formation
from Self- and Cross-Reactions of RO2 Radicals in the Atmosphere. Berndt, T., Scholz, W., Mentler, B., Fischer,
L., Herrmann, H., Kulmala, M. and Hansel, A. Angew. Chem. Int. Ed. Volume 57, Issue 14. doi:10.1002/anie.201710989
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