Entschlüsselung der Chemie bei Aerosolbildung und Wachstum

Unsere Möglichkeit die klimatischen Bedingungen in der vorindustriellen Zeit so genau und präzise wie möglich zu rekonstruieren ist ein Schlüsselkriterium um den Klimawandel seit Beginn der industriellen Revolution zu verstehen. Es ist nicht nur die Zunahme von Treibhausgasen seit 1750, die die Erdatmosphäre erwärmt, auch atmosphärische Aerosole sind wichtig für den Klimawandel, weil an diesen Partikeln Wasser kondensiert und nur so Wolkentropfen entstehen können. Auf diese Weise kühlen Aerosole das Erdklima und reduzieren zu einem Teil die globale Erwärmung. Wie stark Aerosole die globale Erwärmung abschwächen, ist jedoch noch unklar, was die größte Unsicherheit in aktuellen Klimaprognosen darstellt. Dies ist zum Teil auf die Schwierigkeit zurückzuführen, die Aerosolbelastung in der vorindustriellen Atmosphäre abzuschätzen. Aerosole werden entweder direkt in die Atmosphäre emittiert (beispielsweise Pollen oder Ruß aus der Verbrennung von Holz und fossilen Brennstoffen) oder diese werden erst in der Atmosphäre aus gasförmigen Vorläuferstoffen gebildet. Bisher wurde angenommen, dass Schwefelsäure für die Umwandlung von Gas zu Partikel unbedingt notwendig und dass dieser Mechanismus somit erst seit der Industrialisierung relevant ist. Wir konnten in genau kontrollierten Laborversuchen zeigen, dass die Aerosolneubildung und das anschließende Wachstum der Partikel in der Atmosphäre auch aus rein biogenen Substanzen, die von Bäumen emittiert werden, geschehen. Dieser neu gefundene Mechanismus verändert somit unser Verständnis der Wolkenbildung in der vorindustriellen Atmosphäre. Diese biogene Bildung neuer Aerosolpartikel geschieht durch komplexe chemische Reaktionen bei denen organische Vorläuferstoffe in der Atmosphäre oxidiert werden. Ein großer Teil der entstehenden Reaktionsprodukte und deren Reaktionswege sind noch weitgehend unbekannt. In diesem Projekt wollen wir die chemischen Reaktionen, die für die Aerosolneubildung und dem Aerosolwachstum, in präzise kontrollierten Laborexperimenten untersuchen. Neben biogenen Vorläuferstoffen werden wir auch anthropogene mit ähnlichen chemischen Eigenschaften untersuchen, die möglicherweise ebenfalls bei der Partikelneubildung und dem anschließenden Wachstum in der heutigen Atmosphäre eine wichtige Rolle spielen. Diese Experimente werden mit dem neu entwickelten PTR-3-TOF-Massenspektrometer durchgeführt. Dieses Instrument wurde an der Universität Innsbruck entwickelt, um den bisher nicht gemessen Anteil der Oxidationsprodukte, der für die Aerosolbildung und das Wachstum verantwortlich ist, zu quantifizieren und zu identifizieren. Um die verschiedenen Reaktionswege zu entschlüsseln, werden wir einzelne organische Aerosolvorläuferstoffe mit den in der Atmosphäre vorkommenden wichtigen freien Radikalen reagieren lassen. Ein Teil diese Experimente wird an der Smogkammer des Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführt werden, um die chemischen Reaktionen, die zur Bildung neuer Teilchen führen, zu untersuchen. Ein weiterer Teil der Experimente wird an der CLOUD- Kammer am CERN durchgeführt, um möglichst realistisch die Bedingungen für die vorindustrielle und heutige Atmosphäre zu simulieren. Mit diesen Experimenten hoffen wir, die Bedingungen in der vorindustriellen Zeit besser zu rekonstruieren und damit die Unsicherheiten in Klimamodellen weiter zu reduzieren.