Tieftemperatur-Labormodelle zu atmosphärischen Prozessen

Zunächst ist die Präparation von Labormodellen zu atmosphärischen Aerosolen unterschiedlicher Phase, Zusammensetzung und Morphologie sowie deren Charakterisierung durch IR-Spektroskopie und Röntgen- Pulverdiffraktion geplant. Dabei werden - in Übereinstimmung mit Feldmessungen und thermodynamischen Daten - Schwefelsäure, Salpetersäure und Wasser als Hauptkomponenten festgelegt. Die charakterisierten festen oder flüssigen Aerosolmodelle dienen dann unter atmosphärischen Bedingungen als Substrat für heterogene Prozesse mit relevanten Spurengasen. Als solche wurden wegen ihrer Bedeutung in Troposphäre und/oder Stratosphäre z.B. Chlor- und Bromverbindungen, sowie Schwefel- und Stickoxide ausgewählt. Die resultierende Wechselwirkung mit der Aerosolmodelloberfläche kann mit Hilfe spezieller Methoden der IR-Reflexionsspektroskopie verfolgt werden. Zusätzlich sind Adsorptions-/ Desorptionsexperimente mit massenspektrometrischer Detektion geplant, um mögliche Folgereaktionen, die an der Oberfläche oder im Inneren des Aerosolmodells ablaufen können, zu erkennen und zu beschreiben. Es ist beabsichtigt, das beschriebene Forschungsprojekt in Form einer internationalen Kooperation mit Prof. Dr. Aharon Loewenschuss (Department of Inorganic and Analytical Chemistry of the Hebrew University of Jerusalem) durchzuführen. Prof. Loewenschuss wird grundlegende IR-Daten über Molekülkomplexe in Tieftemperaturmatrices beisteuern, die dringend zur Interpretation der IR-Spektren von Oberflächenkomplexen benötigt werden. Darüber hinaus gilt Prof. Loewenschuss als Experte für die Herstellung und Charakterisierung von hochdispersem Wassereis, das bei heterogenen Prozessen in der Atmosphäre eine große Rolle spielt.

Im Mittelpunkt dieses bilateralen Projektes der TU Wien mit der Hebrew University Jerusalem stand die Erforschung der komplexen heterogenen Chemie an flüssigem und festem Aerosol in der Atmosphäre auf der Basis von Laborexperimenten. Eine bemerkenswerte Konsequenz dieser heterogenen Prozesse ist der jährlich auftretende Ozonabbau in der polaren Stratosphäre, der mit der Freisetzung aktiver Halogenverbindungen (z.B. Chlor) aus relativ stabilen "Reservoirsubstanzen" an der Oberfläche von polaren Stratosphärenwolken ("PSC", nach engl. "polar stratospheric clouds") in Verbindung steht. Die Reaktionswege und die Spurengaskonzentrationen in der Stratosphäre hängen wesentlich von dem physikalischen Zustand der Wolkenpartikel ab (fest, flüssig), der wiederum stark von dem Verlauf der Keimbildung beeinflusst wird. Trotz intensiver Forschungsarbeit im letzten Jahrzehnt blieben wichtige Fragen bezüglich der Phasenzusammensetzung von PSC bislang ungelöst. Die Schwierigkeiten beim Verständnis der PSC- Bildung resultiert daraus, dass sowohl der unterkühlt flüssige als auch der feste Zustand in Feldexperimenten nachgewiesen wurde. Aber noch mehr: die Hauptkomponenten (Salpetersäure und Wasser) kristallisieren in verschiedenen thermodynamisch stabilen und metastabilen Phasen. Das Hauptinteresse lag in der Charakterisierung des Nicht- Gleichgewichts-phasendiagramms von Salpetersäure/ Wasser- Mischungen. Zu diesem Zweck wurde eine Präparationsmethode entwickelt, die in besonderem Maße die Kristallisation metastabiler Hydrate fördert, die dann einer Analyse mittels Röntgendiffraktion (XRD, nach engl. "X-ray diffraction) und Fourier- Transformations- Infrarotspektroskopie (FTIR) unterzogen wurden. Mit XRD wurde eine Methode gewählt, die exakte Information über eine weitreichende Ordnung in der Probe liefert, während FTIR die Nahordnung der Probenbestandteile untersucht. Es konnten mehrere stabile und mestastabile Hydrate der Salpetersäure hergestellt werden, deren Existenzbereich als Funktion der Temperatur und der Zusammensetzung ebenso untersucht wurde wie die Details ihrer Nukleation und des Kristallwachstums. Mit Hilfe dieser Daten wurde die Relevanz der Phasen für die Atmosphärenchemie bewertet. Das Projekt profitierte in hohem Ausmaß von dem Beitrag der israelischen Partner, die den wissenschaftlichen Rahmen auf die Wechselwirkungen von Spurengasen mit einem Substrat ausdehnten. Sie führten dabei Untersuchungen an in Matrices isolierten Komplexes und Versuche an Eisoberflächen durch, die - mit Unterstützung von theoretischen ("ab initio") Berechnungen - bei der Aufklärung fundamentaler Prozesse von Gasphasen/ Festkörper- Reaktionen halfen.