Neues zum „Waschmittel der Atmosphäre“

Entscheidend für die Waschkraft der Atmosphäre sind bestimmte Moleküle, die sogenannten OH-Radikale. Sie bestehen aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom und spielen eine wichtige Rolle für den Abbau von bestimmten Treibhausgasen, wie Methan (CH₄), aber auch von Ozon, Spurengasen und Luftverunreinigungen. Es wird auch als chemisches Waschmittel der Atmosphäre bezeichnet und ist eines der reaktivsten Radikale in der Atmosphäre. Als Radikale werden Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron bezeichnet, die meist besonders reaktionsfreudig sind.

Dieses „Waschmittel“ baut Schadstoffe wie etwa Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid ab. Bisher gingen die Forscher davon aus, dass für diese Selbstreinigung der Atmosphäre zwei Kreisläufe wesentlich sind: In einem ersten Kreislauf werden Schadstoffe abgebaut und die OH-Radikale recycelt. Dafür werden allerdings auch Stickoxide benötigt, die in einem zweiten Kreislauf recycelt werden. Dabei entsteht jedoch Ozon, ein Schadstoff.

Dass dies offenbar nicht der einzige Weg ist, auf dem die Konzentration von OH-Radikalen hochgehalten werden kann, zeigten schon die Ergebnisse einer Messkampagne in China, die von derselben Autorengruppe im Jahr 2009 im renommierten Wissenschaftsmagazin „Science“ veröffentlicht wurde. In der neuen Studie führen sie nun erstmals die Ergebnisse weiterer weltweiter OH-Messungen verschiedener Forschergruppen zusammen und vergleichen sie. Dabei ergibt sich für fast alle Messorte, dass die Waschkraft der Atmosphäre auch dann sehr hoch ist, wenn viele Kohlenwasserstoffe vorhanden sind, die OH-Radikale in dem Recycling-Prozess verbraucht – gleichzeitig die Luft aber wenig Stickoxide enthält, die die Bildung von OH-Radikalen ankurbeln könnten.

Besonders auffällig waren diese Zusammenhänge in der Atmosphäre über den Urwäldern am Amazonas oder in Borneo. In diesen Regionen ist die Konzentration von Stickoxiden in der Atmosphäre niedrig. Die Bäume geben jedoch große Mengen des Kohlenwasserstoffs Isopren in die Atmosphäre ab. Dieser reagiert sehr schnell mit den vorhandenen OH-Radikalen. Und trotz der niedrigen Konzentration von Stickoxiden ist die der OH-Radikalen hoch, etwa zehn Mal so hoch wie erwartet. Die Ozon-Konzentration hingegen ist niedrig.

„Es muss also noch andere Prozesse geben, die bei niedriger Konzentration von Stickoxiden die OH-Radikale recyceln können, ohne dass dabei Ozon entsteht. Das zeigen auch unsere neuen Ergebnisse“, fasst Erstautor Dr. Franz Rohrer vom Institut für Energie- und Klimaforschung zusammen. Eine weitere, bereits im vergangenen Jahr in „Nature Geoscience“ veröffentlichte Studie dient dazu, diesen Mechanismus Schritt für Schritt zu entschlüsseln.

Die Studie entstand mithilfe der Jülicher Atmosphärensimulationskammer SAPHIR. Die ermöglicht die reproduzierbare Untersuchung wohldefinierter atmosphärisch-chemischer Mechanismen. Die hochreine Gasversorgung und das einmalige analytische Instrumentarium des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Bereich Troposphäre am FZJ erlaubt die Kammer bei den geringen, in der natürlichen Atmosphäre vorliegenden Spurengaskonzentrationen zu betreiben. SAPHIR ist besonders geeignet den Abbau biogener und anthropogener Spurenstoffe zu studieren und die dabei auftretende Produktion sekundärer Schadgase und Partikel zu untersuchen.

  Fuchs, H., Hofzumahaus, A., Rohrer, F., Bohn, B., Brauers, T., Dorn, H-P., ... Wahner, A. (2013). Experimental evidence for efficient hydroxyl radical regeneration in isoprene oxidation. Nature Geoscience, 6, 1023-1026. doi:0.1038/ngeo1964

  Hofzumahaus, A., Rohrer, F., Lu, K., Bohn, B., Brauers, T., Chang, C.-C., ... Zhang, Y. (2009). Amplified Trace Gas Removal in the Troposphere. Science, 324(5935), 1702-1704. doi:10.1126/science.1164566

  Rohrer, F., Lu, K., Hofzumahaus, A., Bohn, B., Brauers, T., Chang, C.-C., ... Wahner, A. (2014). Maximum efficiency in the hydroxyl-radical-based self-cleansing of the troposphere. Nature Geoscience, 7, 559-563. doi: 10.1038/ngeo2199