Aerosole und Partikelbildung

Grundlage

Aerosole sind feste (griech.: sol) und/oder flüssige Teilchen, die in der Luft (griech.: Aero) schweben. Dabei umfasst der Begriff des Aerosols ein breites Spektrum von Seesalzteilchen, Pollen und Mineralstaub hin bis zu Öltröpfchen und anderen Kleinstpartikeln. Vom Aerosol getrennt werden Wassertröpfchen und Eiskristalle, die zumeist erst durch das Vorhandensein von anderen Aerosolpartikeln gebildet werden können.

Vorkommen und Entstehung

Atmosphärische Aerosole kommen im Allgemeinen im Größenbereich von 1 nm (1 Millionstel mm) bis ca. 100 µm (1 Zehntel mm) vor und haben eine Vielzahl von Quellen. Ihre Konzentration liegt in der Regel über dem Meeren und Ozeanen, sowie abgelegenen kontinentalen Gebieten in der Größenordnung von ca. 1000 bis ca. 10.000 Teilchen pro cm³. In Städten kann sie gerade im Winter während der Heizperiode oder durch den Verkehr (Rußausstoß bzw. Oxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen) auf über 100.000 Teilchen pro cm³ ansteigen.

Je nachdem durch welchen Prozess die einzelnen Aerosolpartikel entstehen, dominieren sie in einem bestimmten Teilchengrößenbereich. Man unterscheidet hier zwischen der Bildung von Teilchen aus Feststoffen (bulk-to-particle-conversion (BPC)), der Bildung von Teilchen aus Gasen (gas-to-particle-conversion (GPC) und der Bildung von Teilchen durch Reaktionen von gelösten Stoffen in Wolkentröpfchen.werden können (optische Messungen, Ladungsverteilungsmessungen etc.).

Bulk-to-particle-conversion

Viele Teilchen entstehen aus bereits vorhandenen Materialien wie z.B. Mineralstaub (z.B. aus Wüsten), Tonerdemineralien (Bodenerosion) oder primär biologischen Partikeln (z.B. Pollen, Bakterien, Sporen, Insektenbruchstücke aus der Vegetation) durch Windeinfluss. So gelangt - als ein weiteres Beispiel - das Seesalz durch Schaumbildung auf dem Meer bzw. durch das Aufreißen der Meeresoberfläche durch aufsteigende im Wasser gelöste Gase in die Luft und trocknet bei geringer Luftfeuchte (< 30%) bis zum reinen Salz wieder ab. Mineralstaub (z.B. Saharastaub) gelangt dagegen durch den Prozess der Saltation, dem Anstossen von kleinen Teilchen durch andere rollende oder springende Teilchen (Beispiel: Sanddüne) in die Atmosphäre.

Diese Teilchen, die alle aus bereits bestehendem Material gebildet werden sowie auch die vielfältigen biologischen Teilchen sind im Wesentlichen im Größenbereich oberhalb von 0.1 µm im Radius zu finden. Dies ist der Größenbereich der großen (0.1 µm – 1 µm im Radius) und der Riesenteilchen (1 µm und größer).

Gas-to-particle-conversion

Muss für ein Teilchen die Aerosolsubstanz erst aus der Gasphase gebildet werden, so findet man sie hauptsächlich im untersten Größenbereich (kleiner als 0,1 µm), dem Bereich der Aitkenteilchen (1 nm – 0,1 µm im Radius). Hierbei findet eine chemische Reaktion statt, bei der sich aus relativ flüchtigen Substanzen wie z.B. SO2 und Wasser eine schwerflüchtigere Substanz wie z.B. Schwefelsäure bildet. Hierbei reagieren Spurengase, die in kleinen Mengen in der Atmosphäre vorhanden sind, sowie Wasser aus der normalen Luftfeuchte. Man spricht wegen dieser Umwandlung von Substanzen auch von sekundären Teilchen. Die neu gebildeten schwerflüchtigen Moleküle formen dann Cluster (Molekülzusammenballungen), auf deren Oberfläche weitere Substanzen kondensieren. Ab 1 nm Grösse werden sie als Aerosol bezeichnet.

Am Komplex der Teilchenbildung durch den GPC-Prozess wird derzeit noch intensiv geforscht, da hier viele Faktoren ein Einfluss auf die Menge und Art der Partikelneubildung haben. Teilweise sind die Bildungswege auch noch nicht bekannt. Diskutiert werden hier vor allem zwei Wege:
zum einen Schwefelsäuretröpfchen aus der Reaktion von Wasser mit bereits gebildeter Schwefelsäure und Ammoniak zum anderen die Bildung von sekundären organischen Partikeln aus der Oxidation von flüchtigen Kohlenwasserstoffen wie z.B. Terpenen (Terpene werden von den Wäldern freigesetzt - Pflanzenriechstoffe) oder Aromaten wie Toluen oder Benzen (überwiegend durch menschlichen Einfluss in den Städten gebildet). Die Oxidation erfolgt durch die drei Hauptoxidationsmittel der Atmosphäre Ozon, OH und NO3.

Bildung von Aerosolpartikeln in Wolken

Zuletzt muss man die Aerosolpartikel nennen, die durch Wolkentröpfchen gebildet bzw. verändert werden. Löst sich ein Aerosolteilchen (Wolkenkondensationskern) im aufgenommenen Wasser (Wolkentröpfchen) und reagiert dann mit anderen im Tröpfchen gelösten Stoffen, kann es eine neue Aerosolsubstanz bilden, aus der bei Verdunstung des Wassers ein neues Aerosolteilchen ensteht. Der Hauptteil der Wolken geht nämlich nicht als Regen nieder, sondern verdunstet wieder.

Sind die Aerosole erst einmal in der Atmosphäre, so werden sie durch verschiedene Vorgänge wieder aus der Luft entfernt:

a) Diffusion (= Anstreben einer gleichmässigen Verteilung): Kleinere Aerosolpartikel verteilen sich (diffundieren) in der Luft, stossen dabei auf grössere Partikel und vereinigen sich mit diesen großen Aerosolpartikeln;

b) Sedimentation: Bei größeren Aerosolpartikeln nimmt der Einfluss der Erdanziehung zu und sie fallen zum Erdboden;

c) Ausregnen und Auswaschung: Aerosole in Wolkentröpfchen bzw. Aerosole die durch Wolkentröpfchen eingefangen werden, werden im Regenwasser aus der Atmosphäre ausgewaschen;

d) Impaktion: Bei Aufprall auf Hindernissen bleiben Partikel haften. Die Partikel mit einem Radius von 0,3 µm befinden sich dabei am längsten in der Luft, da diese Prozesse bei ihnen am wenigsten Wirkung zeigen.

e) und von der Erde ausgehende Strahlung (vor allem Infrarotstrahlung): es absorbiert, emittiert und streut die Strahlung direkt, durch Prozesse im Inneren und an der Oberfläche der Partikel. Indirekt haben die Aerosolpartikel über den bereits erwähnten Effekt der Wolkentröpfchenbildung einen weiteren Einfluss auf die Strahlungsbilanz am . Je mehr Aerosolpartikel vorhanden sind, die Wolkentropfen bilden können, desto mehr und desto kleinere Tröpfchen bilden sich, die ihrerseits Strahlung absorbieren und streuen. Der indirekte Effekt beeinflusst unterschiedlich die einfallende und von der Erde reflektierte und emittierte Strahlung. Beide Effekte des atmosphärischen Aerosols und ihre Auswirkungen auf das Klima sind allerdings derzeit noch nicht gut verstanden.