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Feinstaub

Forscher simulieren Atmosphäre vor der Industrialisierung

| Autor / Redakteur: Paul Piwnicki* / Marc Platthaus

Aerosole hoch in den Bergen

Unter echten Atmosphärenbedingungen haben die Forschenden die Entstehung der Aerosole an der Forschungsstation Jungfraujoch beobachtet. Auf einer Höhe von über 3500 Metern über dem Meeresspiegel führten die Forschenden Experimente oberhalb der untersten Atmosphärenschicht – der planetaren Grenzschicht – durch. Auf dieser Höhe sind zwar auch Aerosolpartikel der planetaren Grenzschicht zu finden, weil sie mit der aufsteigenden Luft dorthin transportiert werden können. Daneben bilden sich aber auch neue Partikel, von denen man bisher nicht wusste, wie diese entstehen. „Anders als beim Experiment am Cern können wir uns da natürlich nicht auf eine einzelne Substanz als Ausgangsstoff für die Aerosolpartikel beschränken, sondern beobachten alle Stoffe, die dort in der Luft sind“, erklärt Federico Bianchi, der in seiner Zeit als Forscher am PSI an diesem Projekt mitgearbeitet hat und heute an der Universität Helsinki tätig ist. „Dabei haben wir unter anderem zum ersten Mal die Entstehung von Aerosolen aus Schwefelsäure und Ammoniak in freier Natur beobachtet. Aber insbesondere konnten wir sehen, dass sich Aerosolpartikel aus rein organischen Stoffen gebildet haben.“

So stimmen die Ergebnisse der Messungen an der Cloud-Kammer und auf dem Jungfraujoch überein, dass es Aerosolpartikel mit rein organischen Ausgangsstoffen gibt. „Wir können die Aerosol-Bildung auf dem Jungfraujoch übrigens nur zu bestimmten Zeiten beobachten, denn die Ausgangsmoleküle stammen auch aus den unteren Atmosphärenschichten und es scheint, dass nur innerhalb eines Zeitfensters von circa zwei Tagen nach dem Aufsteigen aus der planetaren Grenzschicht die Bedingungen für diese Aerosol-Bildung günstig sind“, fügt Bianchi hinzu. Die Untersuchungen auf dem Jungfraujoch werden in dem Artikel in Science vorgestellt, dessen Erstautor Federico Bianchi ist.

Synergien zwischen Labor- und Feldexperimenten

Für die Untersuchungen auf dem Jungfraujoch haben die Forschenden dieselben Messinstrumente verwendet wie bei den Messungen an der Cloud-Kammer. Herzstück der Anlage ist ein Massenspektrometer – ein komplexes Gerät, mit dem sich viele tausend verschiedene chemische Substanzen unterscheiden lassen. Das verwendete Gerät wurde von der Schweizer Firma Tofwerk AG in Thun hergestellt. „Das Gerät erlaubt es, die chemische Zusammensetzung im Sekundentakt zu bestimmen“, so Bianchi.

Die Publikationen zeigen auch, wie wichtig es ist, Labor- und Feldexperimente zu verknüpfen. Messungen im Labor erlauben es, einzelne Mechanismen detailliert zu untersuchen, aber nur das Feldexperiment gibt Aufschluss darüber, ob dieser Prozess in der realen Atmosphäre auch relevant ist. „Und“, so Urs Baltensperger, „das Jungfraujoch ist auf Grund seiner Lage, der sauberen Luft und seiner Infrastruktur weltweit einer der besten Standorte, um derartige Prozesse in der realen freien Troposphäre zu untersuchen.“

Originalpublikationen: Ion-induced nucleation of pure biogenic particles; Jasper Kirkby et al.; Nature 26. Mai 2016

The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere; Jasmin Tröstl et al.; Nature 26. Mai 2016

New particle formation in the free troposphere: a question of chemistry and timing; Federico Bianchi et al.; Science 26. Mai 2016

* P. Piwnicki, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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