Wie Wolken auch bei niedrigen Temperaturen entstehen

Kleine, mit freiem Auge nicht sichtbare Aerosolpartikel in der Luft ermöglichen die Entstehung von Wolken. WissenschafterInnen um den Physiker Paul Winkler von der Universität Wien erforschen ihre Entstehungs- und Wachstumsmechanismen. In ihrer aktuellen Studie im Rahmen des CLOUD-Projekts am CERN haben sie herausgefunden, dass der Beitrag organischer Substanzen beim Wolkenwachstum eine große Rolle spielt. Die Ergebnisse erscheinen im renommierten Fachjournal PNAS.

In der uns umgebenden Luft schweben ständig kleine Aerosolpartikel, die mit freiem Auge nicht beobachtet werden können. Einerseits erfüllen diese Teilchen eine wichtige Funktion in der Atmosphäre, indem sie die Entstehung von Wolken ermöglichen und dadurch im Klimahaushalt eine wichtige Rolle spielen. Andererseits sind hohe Konzentrationen von Aerosolteilchen gesundheitsschädlich, insbesondere, wenn sie durch Inhalation in die Lunge gelangen. Neben den typischen Aerosolquellen wie Verbrennungsvorgängen oder Zerstäubungsprozessen, können sich Nanoteilchen auch aus Spurengasen direkt in der Atmosphäre bilden. "In Kombination mit Massenspektrometern, die die Zusammensetzung der Gas- und Partikelphase untersuchen, konnten wir nun erstmals das anfängliche Partikelwachstum unter atmosphärischen Bedingungen quantitativ prüfen", so Paul Winkler, Aerosolphysiker an der Universität Wien.

Bislang war bekannt, dass organische Gase, wie sie beispielsweise von der Vegetation freigesetzt werden – erkennbar z.B. am charakteristischen Duft der Nadelwälder – nach erfolgter chemischer Reaktion mit Ozon und OH-Radikalen in der Atmosphäre maßgeblich zur Bildung und zum Wachstum von Nanoteilchen beitragen. "Insbesondere das anfängliche Stadium der Partikelbildung spielt dabei eine große Rolle, weil die Teilchen im Größenbereich unter 10 Nanometern durch Kollisionen mit größeren Teilchen, an denen die Nanoteilchen haften bleiben, rasch verloren gehen. Nur mit schnellem Wachstum überleben die Nanoteilchen lange genug, um für Wolkenbildungsprozesse relevant zu bleiben", erklärt Erstautor Dominik Stolzenburg von der Universität Wien Dazu werden aber Moleküle benötigt, die unter atmosphärenrelevanten Bedingungen auch kondensieren können. 

Organische Substanzen lassen Wolken wachsen
In ihrer aktuellen Publikation konnten WissenschafterInnen rund um Paul Winkler am CERN herausfinden, dass der Beitrag organischer Substanzen zum Wachstum über einen weiten Temperaturbereich eine große Rolle spielt. Im Rahmen des CLOUD-Projektes hat sich gezeigt, dass insbesondere bei kalten Temperaturen von -25°C Substanzen kondensieren können, die bei warmen Bedingungen (+25°C) zu flüchtig wären und daher gasförmig bleiben würden. Dies bedeutet, dass auch in kälteren Regionen der Erde (z.B. in der mittleren Troposphäre, ~6 km) Nanopartikel aus organischen Vorläufergasen entstehen können, obwohl die chemischen Reaktionen dort deutlich verlangsamt ablaufen. "Der Beitrag organischer Substanzen zu Wolkenbildungsprozessen könnte folglich höher sein als angenommen. Klimamodelle müssten das in Zukunft berücksichtigen und deshalb angepasst werden", erklärt Winkler.

Über CLOUD
Das Experiment CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) wurde entwickelt um zu verstehen, wie sich neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre bilden und wachsen. CLOUD wird von einem internationalen Konsortium – bestehend aus 21 Instituten – geleitet, an dem auch österreichische ForscherInnen von den Universitäten Wien und Innsbruck mitarbeiten. Ein Team um Paul Winkler von der Fakultät für Physik der Universität Wien entwickelte im Rahmen eines ERC Projektes ("nanodynamite") ein neues Partikelmessgerät, mit dem speziell die Aerosoldynamik im relevanten Größenbereich von 1 bis 10 nm quantitativ untersucht werden kann. Für die vorliegende Arbeit war zudem die Messung organischer Gase und deren Oxidationsprodukte bei unterschiedlichen Temperaturen wesentlich. Dies ist mit einem neu entwickelten hochsensiblen Massenspektrometer, dem PTR3-TOF, erstmals gelungen. Dieses Gerät wurde unter der Leitung von Armin Hansel an der Universität Innsbruck in Kooperation mit der Firma IONICON Analytik GmbH mit finanzieller Unterstützung der FFG entwickelt.

Publikation in "PNAS"
Winkler, Paul, Stolzenburg, Dominik et.al. Rapid growth of organic aerosol nanoparticles over a wide tropospheric temperature range. In: PNAS
DOI: 10.1073/pnas.1807604115