Untersuchung von atmosphärisch gealtertem Meersalzaerosol

Die Erdatmosphäre enthält eine große Anzahl an Aerosolen, welche als feste oder flüssige Partikel im luftgetragenen Zustand definiert sind. Besonders interessant sind die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und dem einfallenden Sonnenlicht, sowie ihre Rolle in der Entstehung von Wolken. Diese sind entscheidend für ihren Einfluss auf das Klima. Die Aufenthaltszeit der Partikel in der Atmosphäre kann zwischen Sekunden und Wochen liegen und hängt vor allem von ihrer Größe ab. In dieser Zeit kommt es zu Alterungsprozessen, welche die Partikeleigenschaften signifikant verändern können. Mögliche Gründe für Veränderungen sind Oxidation, Luftfeuchtigkeits- und Temperaturschwankungen, oder Absorption flüchtiger Gase. Durch die Vielfalt und Komplexität an Partikeleigenschaften gibt es große Unsicherheiten bezüglich des Einflusses der Aerosole auf das Klima. Man geht jedoch im Gegensatz zu den Treibhausgasen von einem überwiegend kühlenden Effekt aus. Den größten Anteil an natürlich emittierten Aerosolen produzieren die Ozeane in Form von Seesalzpartikeln. Während die Partikeleigenschaften dieser direkten Emissionen bereits durch frühere Studien bekannt sind, sind die Alterungsprozesse der Meersalzpartikel in der Atmosphäre bisher weitgehend noch nicht charakterisiert worden. Das hier vorgestellte Projekt mit dem Titel Untersuchung von atmosphärisch gealtertem Seesalzaerosol widmet sich diesem Thema. Die Kernfrage ist: Wie verändern sich die Eigenschaften der Meersalzpartikel während ihres Aufenthalts in der Atmosphäre und was für Auswirkungen hat dies auf das Klima? Dazu sind Experimente in einer sogenannten Umweltkammer geplant, welche es ermöglicht unterschiedliche Erdatmosphären zu simulieren. Die Voraussetzungen werden so gewählt, dass die Messungen repräsentativ für Bedingungen über dem Ozean gleichen. Im nächsten Schritt generieren wir verschiedene Arten von Meersalzpartikeln, die dann in die Kammer eingeführt werden. Das Ziel ist nun die Messung veränderlicher Eigenschaften, die auf Grund der Alterungsprozesse in der Kammer auftreten: chemische Zusammensetzung, Wasseraufnahme und die Fähigkeit Wolkentröpfchen zu bilden. Aus vorhergehenden Studien wissen wir, dass die Partikeleigenschaften von der Größe abhängen. Um dies näher zu erforschen, wählen wir Messinstrumente, die unterschiedliche Partikel- Größenbereiche unter die Lupe nehmen. Zusätzlich zu etablierten Techniken möchten wir ein neues Gerät einsetzen, welches von der Antragstellerin im Rahmen ihrer Doktorarbeit am Paul-Scherrer- Institut in der Schweiz entwickelt wurde und die Wasseraufnahme von Aerosolteilchen misst. Während sich vergleichbare Geräte bisher auf die Messung von Durchmessern unter 300 Nanometer konzentrierten, ist es mit diesem Gerät möglich, die Wasseraufnahme von Partikeln mit Durchmessern zwischen 300 und 700 Nanometern zu bestimmen. Dadurch können zum ersten Mal auch größere Meersalzpartikel auf ihre hygroskopischen Eigenschaften wissenschaftlich untersucht werden. Diese Messungen werden in weiterer Folge zu einer signifikanten Verbesserung der Parametrisierungen von Meersalzaerosolen in Klimamodellen beitragen.

In diesem Projekt konnten wir auf die große Bedeutung des anorganischen Salzanteils mariner Aerosole für die Wechselungen mit der Sonnenstrahlung und deren Fähigkeit Wolkentröpfchen zu bilden aufzeigen. Marine Aerosole sind winzig kleine Schwebeteilchen die aus dem Ozean stammen und das Klima beeinflussen können. Für diese Studie benutzten wir einen einzigartigen Aufbau im Labor der einerseits eine speziell angefertigte marine Aerosolquelle beinhaltet, der die Partikelbildung durch das Wellenbrechen im Meer nachahmt, und eine Kammer in der man die Prozesse in der Atmosphäre simulieren kann. Marine Aerosole wurden deshalb gewählt, weil sie die größte Aerosolquelle weltweit ausmachen in Bezug auf ihre Masse und damit eines der bedeutendsten Aerosole für die Wechselwirkungen mit dem Klima sind. Unsere Resultate weisen darauf hin, dass sich selbst die Eigenschaften von rein anorganischem Meersalz während ihres Aufenthalts in der Atmosphäre mit der Zeit ändern. Die Partikel reagieren mit anderen Gasen die sich in der Atmosphäre befinden und ändern schlussendlich ihre chemische Zusammensetzung. Im Spezifischen bilden sich im Inneren der Partikel hydratbildende Salze, welche Wassermoleküle in ihre Salzstruktur einbetten. Dies führt dazu, dass diese veränderten Partikel in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit nicht mehr so viel Wasser aufnehmen können wie ein reines Salzpartikel. Durch diese verminderte Wasseraufnahme, wächst ihr Durchmesser auch weniger was die Interaktionen mit dem Sonnenlicht verändert. Gleichzeitig braucht es für hydratbindende Salze höhere Übersättigungen um sie zu Wolkentröpfchen heranwachsen zu lassen im Vergleich zu reinen Salzen. Deshalb haben unsere Erkenntnisse auch große Auswirkungen auf das Zusammenspiel von diesen anorganischen Meersalzpartikeln mit dem Klima, die bislang noch nicht in Klimamodellen integriert sind. Typischerweise kommen anorganische Meerespartikel zusammen mit einer Vielfalt an organischen Stoffen in der marinen Atmosphäre vor. Forscher sind besonders an schwefelhaltigen Stoffen interessiert da ihr wichtiger Einfluss auf die Wolkenbildung gut dokumentiert ist. Deshalb haben wir für unsere Studie die schwefelhaltige Verbindung "Dimethylsulfid" gewählt welche von Mikroorganismen im Meer produziert und dann in die Atmosphäre emittiert wird. Dieses spezielle Molekül ist besonders interessant, weil es die größte natürliche Schwefelquelle auf der Welt ist. In unseren Experimenten untersuchten wir die Effizienz von Dimethylsulfid sekundäre Partikel zu bilden in dem es mit dem hochreaktiven Hydroxyl-Radikal (OH) reagiert. Unsere Resultate zeigen, dass diese Reaktion in der Tat zur neuen Partikelbildung in der Atmosphäre führt. Diese sekundären Partikel werden langsam gebildet und wachsen zu nicht allzugrossen Durchmessern. Des Weiteren konnten wir den Einfluss von unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten und Temperaturen auf diese neue Partikelbildung untersuchen und fanden, dass kalte Temperaturen zu weniger und weniger großen Partikel führen. Die Luftfeuchtigkeit und Temperaturen wurden so gewählt, dass sie den tatsächlichen Werten in der marinen Atmosphäre entsprechen. Das Projekt war insgesamt sehr erfolgreich, konnte einige Forschungsfragen beantworten und wurde zur Basis für neue zukünftige Projektideen.