Klimamodelle Wenn’s oben oxidiert: Atmosphärenchemie von α-Ketosäuren

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Forscher am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung haben einen bisher unterschätzten Reaktionsmechanismus der Atmosphäre beschrieben. Demnach beeinflussen so genannte α-Ketosäuren das Klima stärker als gedacht. Die neuen Erkenntnisse sind wichtig für Prognosen zum Klima und zur Luftqualität.

In der Luft ist mehr los, als man denkt. Zahlreiche chemische reaktionen laufen ab und beeinflussen wichtige Parameter wie Luftqualität, Wolkenbildung Temperatur. Eine Stoffklasse mit erheblichen Einfluss auf die chemischen Prozesse in der Atmosphäre sind Hydroperoxide, die als starke Oxidationsmittel fungieren.

Jetzt hat ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (Tropos) neue Reaktionswege aufgedeckt. Die Forscher haben gezeigt, dass sich die stark oxidativen Hydroperoxide in Wolken, Regen und Aerosolwasser auch bilden, wenn Sonnenlicht so genannte α-Ketosäuren wie die Brenztraubensäure reagieren lässt. Diese Reaktionen könnten für 5 bis 15 Prozent des beobachteten atmosphärischen Wasserstoffperoxids (H₂O₂) in wässriger Phase verantwortlich sein. Damit wäre die Photolyse von α-Ketosäuren eine weitere wichtige Quelle für atmosphärische Oxidationsmittel, wie die Wissenschaftler in ihrer Publikation schreiben.

Da diese Oxidationsprozesse sowohl Bildung als auch Abbau von Partikeln und Luftschadstoffen beeinflussen, hat der neu entdeckte Reaktionsweg große Bedeutung für die Luftqualität und die Klimaprognosen.

Atmosphärenuntersuchungen

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Unterschätzte Stoffe der Atmosphärenchemie

Bei den untersuchten α-Ketosäuren handelt es sich um Carbonsäuren, die eine zusätzliche Ketogruppe mit einem Kohlenstoffatom und einem doppelt gebundenen Sauerstoffatom enthalten. Diese Stoffklasse gelangt über verschiedene Reaktionen in die Atmosphäre aus einer Vielzahl von Vorläufergasen wie Isopren, Aromaten oder Acetylen, die biogen oder anthropogen sein können – also sowohl aus der Vegetation als auch aus der Industrie stammen. Sie sind weit verbreitet und spielen eine grundlegende Rolle für das Leben auf der Erde, zum Beispiel in der Biochemie beim Aminosäurestoffwechsel in den Zellen.

Die Bedeutung von α-Ketosäuren für die Atmosphäre und das globale Klima wurde bisher eher unterschätzt. Anhand von drei Substanzen (Glyoxylsäure, Brenztraubensäure und 2-Ketobuttersäure) wiesen die Forscher in Laborexperimenten und Modellrechnungen nun nach, dass diese Stoffe zusammen mit Licht an der Bildung von Hydroperoxiden beteiligt sind, die wiederum Wasserstoffperoxid entstehen lassen. Die zugrundeliegenden Prozesse laufen in der atmosphärischen Flüssigphase ab, also in wasserhaltigen Partikeln.

Überarbeitetes Modell verbessert Prognosequalität

Die Atmosphärenchemiker von Tropos in Leipzig nutzten Labordaten von Forschungspartnern aus Shanghai und Turin in ihrem Flüssigphasenmodell Capram (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism), um die atmosphärischen Auswirkungen der Laborergebnisse zu bewerten und Hochrechnungen zu erstellen. Das Capram-Modell wurde über Jahre so verfeinert, dass es die komplexen Reaktionsketten abbilden kann und die neuen Erkenntnisse aus den Laborexperimenten nun als weitere Rückkopplungen eingearbeitet werden können.

„Diese Arbeit liefert den ersten quantitativen Rahmen für die Bildung von Hydroperoxiden aus α-Ketosäuren und klärt die für Atmosphärenmodelle entscheidenden pH- und Konzentrationsabhängigkeiten“, erläutert Prof. Hartmut Herrmann vom Tropos und der chinesischen Shandong University Qingdao. „Durch die internationale Kooperation gelang es, ein weiteres Puzzlestück in der sehr komplexen Multiphasen-Atmosphärenchemie zu finden.“

Die jetzt veröffentlichte Studie liefert neue Ansätze und zeigt bestehende Wissenslücken auf: So fehlen zum Beispiel systematische Feldmessungen der Konzentrationen von α-Ketosäuren in Aerosolen und Wolkenwasser in verschiedenen Umgebungen, um diese Mechanismen in Klimamodelle einzubauen. Solche Studien würden helfen, das globale Budget von Hydroperoxiden in der Atmosphäre besser abzuschätzen sowie deren Rolle bei der Partikelbildung in wässriger Phase und der Sulfatproduktion zu verstehen.

Originalpublikation: Hongwei Pang, Andreas Tilgner, Jin Han, Jiazhuo He, Yiqun Wang, Jinli Xu, Bowen He, Qingxin Deng, Ren Yan, Zhu Ran, Xinming Wang, Jiangping Liu, Adeniyi Adesina, Luca Carena, Erik H. Hoffmann, Thomas Schaefer, Davide Vione, Hartmut Herrmann, Sasho Gligorovski (2026): Evidence for Hydroperoxides Formation through Atmospheric Aqueous Photochemistry of α-Keto acids, Alternative Source of Hydroperoxides in the Atmosphere. Science Advance, Vol 12, Issue 2, 9 January 2026; DOI: 10.1126/sciadv.adx4527

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