Warum atmosphärische Nanopartikel überall ähnlich schnell wachsen
Temperatureinflüsse auf die chemische Zusammensetzung, die Flüchtigkeit und die Diffusivität von kondensierbaren organischen Dämpfen heben sich weitgehend auf und puffern so effektiv die Geschwindigkeit, mit der neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre wachsen.
Autoren: Thomas Berkemeier, Ulrich Pöschl
Aerosole haben einen großen Einfluss auf Luftqualität, menschliche Gesundheit, Wolken und Klima. Doch die Neubildung von Partikeln in der Atmosphäre stellt die Wissenschaft seit langem vor offene Fragen. Große Anteile des Feinstaubs in der Luft bestehen aus sekundären organischen Aerosolen (SOA), die entstehen, indem gasförmige organische Vorläufermoleküle in Partikel umgewandelt werden. Die Wachstumsraten dieser atmosphärischen Nanopartikel blieben jedoch rätselhaft: Sie sind oft kleiner und weniger abhängig von der Konzentration kondensierbarer organischer Dämpfe als erwartet. In der Natur beobachtet man, dass kleinste Aerosolpartikel meist etwa 1 bis 10 Nanometer pro Stunde wachsen. Das Wachstum ist dabei nur schwach abhängig von den Konzentrationen der Dämpfe, obwohl sich diese Konzentrationen um mehrere Größenordnungen unterscheiden können.
Neues kinetisches Modell bringt Feldbeobachtungen und Laborexperimente in Einklang
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) in Mainz haben nun einen neuen integrativen Ansatz verfolgt, um Beobachtungsdaten aus Feldmessungen im borealen Wald (Hyytiälä, Finnland) und aus aufwendigen Laborexperimenten an der CERN-CLOUD-Kammer zu analysieren. Diese Daten schienen im Widerspruch zu Theorie und Modellvorhersagen zu stehen. Mit einem neuen kinetischen Mehrschichtmodell der Multiphasenchemie (KM3C) zeigen die Forschenden, dass sich die beobachteten Wachstumsraten vorhersagen lassen, wenn die Temperaturabhängigkeit und die Multiphasenkinetik der Gas-Partikel-Verteilung vollständig erfasst werden.
„Unser Modell berücksichtigt die Reaktivität, die Diffusivität und die Konzentrationsgradienten verschiedener chemischer Spezies in der Gasphase, der kondensierten Phase und an der Grenzfläche“, sagt Zhiqiang Zhang, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am MPIC. „Der langsame Transport von der Oberfläche ins Partikelinnere begrenzt die Aufnahme von Dämpfen durch feste oder halbfeste Partikel mit geringer Diffusivität, während niedrige Temperaturen zur Verringerung der Flüchtigkeit der Dämpfe führen und die Wachstumsraten erhöhen.“
Das Modell reproduziert für die Sommermonate die beobachteten Wachstumsraten im borealen Wald unter der Annahme einer Diffusivität, die für hochviskose, nahezu glasartige Substanzen charakteristisch ist. Für die Frühjahrszeit stimmt das vom Modell ermittelte Wachstum mit flüssigen, gut durchmischten Partikeln überein. Eine geringe Diffusivität führt zu einer Anreicherung relativ flüchtigerer Verbindungen an der Partikeloberfläche, verlangsamt deren Aufnahme ins Partikelinnere und verzögert die Gleichgewichtseinstellung der Gas-Partikel-Verteilung.
Puffereffekte halten das Nanopartikelwachstum in einem engen Bereich
Die Studie beantwortet die seit langem bestehende wissenschaftliche Frage, warum die Wachstumsraten atmosphärischer Nanopartikel unter sehr unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ziemlich einheitlich sind und nur eine geringe Abhängigkeit von Temperatur und organischer Dampfkonzentration zeigen. „Ob über dem borealen Wald in Finnland oder in einer Megacity wie Peking: neu gebildete Partikel wachsen bemerkenswert ähnlich schnell, obwohl sich die Konzentrationen kondensierbarer Dämpfe um Größenordnungen unterscheiden“, erklärt Thomas Berkemeier, Forschungsgruppenleiter am MPIC und Leitautor der Studie. „Wir haben herausgefunden, dass sich temperaturbedingte Änderungen in der Produktion, Flüchtigkeit und Diffusivität kondensierender organischer Dämpfe weitgehend gegenseitig aufheben und die Geschwindigkeit des Nanopartikelwachstums effektiv puffern.“
Bedeutung für die Luftqualitäts-, Ökosystem- und Klimaforschung
„Wenn neu gebildete Nanopartikel schnell wachsen, können sie groß genug werden, um Wolken zu bilden und so den Wasserkreislauf und die Energiebilanz der Erde zu beeinflussen. Ob das geschieht, hängt von den Wachstumsraten ab“, sagt Ulrich Pöschl, Koautor und Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie. „Unsere Ergebnisse verbessern das Verständnis und die Vorhersagbarkeit, wie Aerosole das Zusammenspiel von Luftqualität, Ökosystemen und Klima beeinflussen – im Laufe der Erdgeschichte ebenso wie im Anthropozän, dem gegenwärtigen Zeitalter rapide zunehmender menschlicher Einflussnahme.“
Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse werden in regionale und globale Untersuchungen von Chemie-Klima-Wechselwirkungen in verschiedenen Umgebungen einfließen. Das neu entwickelte KM3C-Modell ist online verfügbar unter https://multiphasekinetics.org/km3c/nano.