Globale Auswirkungen von extrem schwer-flüchtigen Dämpfen auf die Wolkenbildung abgeschätzt

Neuesten Hochrechnungen zufolge produziert die Vegetation mehrere Millionen Tonnen pro Jahr an extrem schwer flüchtigen organischen Verbindungen (ELVOCs) und gibt diese an die Atmosphäre ab. Diese Oxidationsprodukte von Monoterpenen führen zu einem Anstieg von Wolkenkondensationskeimen über den Kontinenten und haben damit Einfluss auf die Wolkenbildung. Sie spielen deshalb vor allem in den großen Waldregionen der Erde wie der Taiga oder den Regenwäldern am Äquator eine wichtige Rolle für das Klima. Zu diesem Ergebnis kommt eine gemeinsame internationale Studie des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) und der Universität Helsinki, die auf Laborexperimenten aus Leipzig beruht. Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse zeigen erstmals für eine Reihe von natürlichen Verbindungen, die zusammen rund 70 Prozent der biologischen Kohlenwasserstoffemissionen ausmachen, wie viel an schwer-flüchtigen Dämpfen diese produzieren und wie sie das Klima über die Produktion von Aerosolpartikeln beeinflussen.

Aerosolpartikel reflektieren die Sonnenstrahlung und wirken als Kondensationskeime für Wolken. Sie beeinflussen so entscheidend die Wolkenbildung und damit Niederschläge, Temperatur und Klima insgesamt. Die winzigen Aerosolpartikel kommen beispielsweise als Staub, Pollen oder Seesalz direkt in die Atmosphäre oder können dort aus Vorläufergasen entstehen. Diese Umwandlung von der gasförmigen in feste Stoffe ist ein komplizierter Prozess, an dem noch immer geforscht wird. Das betrifft auch die Rolle, die die Oxidation von flüchtigen organischen Verbindungen spielt, die von Pflanzen an die Atmosphäre abgegeben werden. Dazu gehören beispielsweise Limonen oder Alpha-Pinen, also der typische Duft von Zitrusfrüchten oder Nadelwäldern. Diese Verbindungen werden zuerst von Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben und dort dann von häufigen Oxidationsmitteln, Ozon oder OH-Radikalen oxidiert. Ob diese Reaktionen Dämpfe produzieren, die zu Molekülen oder kleinsten Partikeln kondensieren, kann die Aerosolbildung stark beeinflussen und steht damit im Zentrum der internationalen Forschung. So lange wie diese Prozesse nur unzureichend verstanden sind, ist es schwer selbst mit modernen Klimamodellen zuverlässige Aussagen zum künftigen Klima zu treffen.

Ein weiteres Stück im Klimapuzzle konnte jetzt ein internationales Team aus der Atmosphärenchemie und -physik mit Hilfe von Laborexperimenten und nachfolgenden, globalen Modellsimulationen lösen. Schlüssel dazu sind extrem schwer flüchtige organische Verbindungen - auf Englisch "extremely low-volatility organic compounds (ELVOCs)" genannt. Diese sind eine wichtige Quelle für das Partikelwachstum in Größen von etwa zwei bis einhundert Nanometern. Über diese schwerflüchtigen organischen Dämpfe wurde lange spekuliert, aber erst vor kurzem wurden diese Verbindungen durch Fortschritte in der Messtechnik nachweisbar. Anfang 2014 wurde dieser Nachweis im Fachmagazin NATURE von einem internationalen Forscherteam unter Leitung der Universität Helsinki in Finnland und dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) veröffentlicht. Ende 2014 folgte die zweite Entdeckung des Leipzig-Helsinki-Teams, die den Mechanismus weitestgehend entschlüsseln konnten, der zur schnellen Bildung dieser organischen Verbindungen führt. Im Fachmagazin "Angewandte Chemie" berichten Tuija Jokinen und Kollegen, dass die sogenannte "Selbstoxidation", die zum Beispiel Kunststoffe spröde oder Lebensmittel verderben lässt, auch in der Atmosphäre eine wichtige Rolle spielt. In den "Proceedings of the National Academy of Science" (PNAS) hat das Team jetzt gezeigt wie verschiedene biologische Verbindungen ELVOCs produzieren und wie relevant diese Verbindungen für die Prozesse in der Atmosphäre sind. Erstmals konnten sie die globale Wirkung von ELVOCs bei der Wolkenbildung abschätzen.

Um die Bildung der extrem schwer flüchtige organischen Verbindungen (ELVOCs) zu untersuchen, hat das Team fünf häufige, biogene organische Verbindungen mit verschiedenen chemischen Strukturen untersucht, die alle mit Ozon und OH-Radikalen zu ELVOCs reagieren. Dabei fanden sie heraus, dass die ELVOCs-Bildung unerwartet schnell abläuft sowie, dass die chemische Struktur der Vorläufergase darüber entscheidet, wie effektiv die verschiedenen Bildungswege ablaufen. "Die Struktur von biologischen Verbindungen, die in die Atmosphäre emittiert werden, kann beeinflussen wie diese zu Partikeln oxidiert werden", fasst Erstautorin Tuija Jokinen von der Universität Helsinki zusammen, die diese Untersuchungen in Leipzig am TROPOS durchgeführt hatte. Bei den Experimenten wurden fünf biogene organische Gase (Limonen, α-Pinen, β-Pinen, Myrcen und Isopren) durch das Laminar-Strömungsrohr des TROPOS geleitet, mit Ozon und OH-Radikalen umgesetzt und anschließend die Produkte mittels CI-APi-TOF-Massenspektrometrie untersucht. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ozonolyse von ringförmigen Monoterpenen, wie α-Pinen oder Limonen, sehr schnell und mit viel größerer Ausbeute zu ELVOCs führt, als dies über die "traditionellen" Oxidationswege ausgehend von OH-Radikalreaktionen geschieht. β-Pinen, Myrcen und Isopren produzieren dagegen viel weniger von den ELVOCs, die eine wichtige biologische Quelle für die Bildung von Partikeln in der Atmosphäre sind", unterstreicht Chemiker Dr. Torsten Berndt vom TROPOS, der an allen drei Veröffentlichungen aktiv beteiligt war.

Die Ergebnisse der Experimente wurden anschließend in ein globales Atmosphärenmodell eingebaut, um die Auswirkungen der ELVOCs auf die Partikelbildung in der Atmosphäre der Erde beurteilen zu können. Dazu nutzte das internationale Team ECHAM5-HAM, also ein Aerosol-Klima-Modell, das ursprünglich vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg entwickelt wurde. Nach Angaben der Forschenden ist das in der Studie erweiterte Modell das erste globale Aerosolmodell, das die Bildungsprozesse von Sekundären Organischen Aerosol (SOA) mit der ELVOCs-Produktion aus Experimenten verbindet. "Die Ergebnisse zeigen, dass biologische Bildungsprozesse im Allgemeinen und die erst kürzlich nachgewiesene Gruppe der ELVOCs-Verbindungen im Besonderen eine äußerst wichtige Rolle für die Chemie der Atmosphäre spielen", erklärt Prof. Hartmut Herrmann, der am TROPOS die Abteilung Chemie der Atmosphäre leitet. Die jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse sind also ein weiterer Beleg dafür, dass die Menschheit auch durch die Landnutzung die Atmosphäre und damit das Klima beeinflusst. Sie werden dabei helfen, die Klimamodelle zu verbessern, die bisher das Wachstum von Partikeln nicht zufriedenstellend beschreiben können.

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Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)