Wolkenkondensationskerne in Atmosphäre und Laboraerosol

Die Rolle des atmosphärischen Aerosols im Klimasystem gewann zusätzliche Relevanz durch den anthropogen verursachten Klimawandel. Eine große Unsicherheit in den Modellen liegt im "indirekten Aerosoleffekt", d. h. dem Effekt von Veränderungen der Mikrophysik der Wolken durch anthropogene Aerosole auf die Strahlungsbilanz. Das beantragte Projekt ist auf eine spezielle Klasse von Aerosolpartikeln, die Wolkenkondensationskerne (engl. Cloud Condensation Nuclei, CCN) ausgerichter, die bei gegebener Wasserdampf-Übersättigung in der Atmosphäre zu Wolkentröpfchen anwachsen (d. h. aktiviert werden) können. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Feld- und Laborstudien durchgeführt, aber wegen der hochkomplexen chemischen Zusammensetzung der CCN ist die Rolle vor allem von organischem Material im Aktivierungsprozess noch nicht völlig geklärt. In diesen Feldstudien wird die chemische Zusammensetzung der CCN nicht gemessen, da chemische Analysen vor allem am Gesamtaerosol durchgeführt werden. In Laborstudien wird der Prozess der CCN Aktivierung an Testaerosolen untersucht, die nur aus einer begrenzten Zahl von Substanzen bestehen. Das beantragte Projekt soll die Lücke zwischen Feld- und Laborstudien schließen. Mehrere Proben des atmosphärischen Aerosols im Größenbereich der CCN (d. h. < 100nm) werden ein Jahr lang gesammelt und anschließend mit Wasser extrahiert. Aus diesen wässrigen Extrakten werden anschließend im Labor Aerosole erzeugt, die dann auf Wolkenkondensationskernaktivierung der wasserlöslichen Fraktion des ultrafeinen Aerosols (Größe < 100 nm) untersucht werden. Die chemische Zusammensetzung und Oberflächenspannung dieser Extrakte wird analysiert. Der Extraktionsprozess und die Handhabung der Extrakte wurde schon in einer Pilotstudie optimiert. Wir erwarten vom Projekt neue Erkenntnisse über die Aktivierung von atmosphärischen CCN aus dem Vergleich der Ergebnisse der Laborstudie mit Daten über atmosphärische CCN (Konzentrationen und Aktivierungsdurchmesser), die während der einjährigen Sammelphase gewonnen wurden. Zusammen mit Anzahlgrößenverteilungen (Messung mit Differentiellem Mobilitätsanalysator) und Massengrößenverteilungen (Messung mit Impaktoren; ergeben auch größenselektierte chemische Zusammensetzung des Aerosols) werden wir ein sehr vollständiges Bild der physikalischen und chemischen Eigenschaften des CCN Aerosols erhalten. Die Daten aus der Sammelphase werden auch zur Prüfung der Ergebnisse einer neuen Studie (Dusek et al., 2006) verwendet werden, in der festgestellt wurde, dass die Kenntnis der Größenverteilung für die Abschätzung der CCN Konzentration wichtiger ist als die Kenntnis der chemischen Zusammensetzung, wenn das Aktivierungsverhalten eines bestimmten Aerosoltyps bekannt ist.

Wolkenkondensationskerne (CCN) sind ein wichtiger Teil von atmosphärischen Aerosolen, da die an ihnen gebildeten Wolkentröpfchen das Strahlungsverhalten von Wolken und diese wiederum die Strahlungsbilanz des Systems Erde-Atmosphäre und somit das globale Klima bestimmen. In der Diskussion über den anthropogenen Klimawandel spielt der "indirekte Effekt" von anthropogenen Aerosolen (d.h. über die Beeinflussung von Wolken) eine wichtige, aber noch nicht völlig geklärte Rolle. In den letzten Jahren hat sich das Wissen über CCN und ihre Aktivierbarkeit zu Wolkentropfen vermehrt, aber noch immer ist ihre Rolle vor allem wegen ihrer hoch komplexen chemischen Zusammensetzung nicht genügend genau modellierbar. Im Projekt P 195 15 - N20 wurde das Vorkommen von CCN und ihr Zusammenhang mit der Aerosolgrößenverteilung im urbanen Aerosol von Wien in einer einjährigen Studie untersucht. Entgegen den Erwartungen wurde kein saisonaler Effekt auf die CCN Konzentration und das Aktivierungsverhalten des Aerosols gefunden, obwohl die Aerosolquellen und damit die chemische Zusammensetzung des Aerosols sehr wohl von saisonalen Quellen abhängen. Die atmosphärischen CCN unterscheiden sich deutlich von den im Projekt ebenfalls untersuchten "synthetischen atmosphärischen Aerosolen", die durch Zerstäubung von Extrakten von Aerosolniederschlägen gewonnen wurden, die den Großteil der atmosphärischen CCN enthalten. Auch die anderen Ergebnisse dieser Feldstudie legen den Schluss nahe, dass eine Modellierung von CCN Konzentrationen und ihres Aktivierungsverhaltens nicht mit der nötigen Genauigkeit möglich ist. Für die Modellierung des Einflusses von anthropogenen Aerosolen auf das Klima ist eine direkte Messung von CCN und ihres Aktivierungsverhaltens nötig. Auch die Wichtigkeit von "ultrafeinen" Aerosolpartikeln (d.h. Partikel mit Durchmessern unter 100 nm) wurde in den letzten Jahren immer deutlicher. Im Projekt wurde eine signifikant unterschiedliche chemische Zusammensetzung dieser Partikel (verglichen mit dem als "Feinstaub" definierten Aerosol) gefunden. Die ultrafeinen Aerosole enthalten mehr als doppelt so viel kohlenstoffhältiges Material als der Feinstaub, und der Anteil von Ruß an diesem Material ist doppelt so hoch. Dieses Ergebnis ist signifikant im Rahmen der Debatte von Gesundheitseffekten von Feinstaub, da gerade Ruß als besonders gesundheitsrelevant angesehen wird. Das saisonale Verhalten der ultrafeinen Partikel wurde auch mit dem in anderen mitteleuropäischen Städten (Prag, Budapest) verglichen.