Wolken & Partikel

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Wolkenchemie

Eine Wolke ist keine reaktionsunfähige (inerte) Mischung aus Wassertropfen (oder Eiskristallen) und Partikeln. Die Partikel, die die Wolkenbildung möglich machen, die sogenannten Wolkenkondensationskeime (engl.: CCN = Cloud Condensation Nuclei) haben verschiedene chemische Zusammensetzungen, je nach ihrem Ursprung (anthropogen oder natürlich: Wüsten, Ozeane, Vulkane oder lebendige Organismen). Die Wolke ist von atmosphärischen Gasen umgeben, die die chemische Zusammensetzung der Tropfen ebenfalls zu ändern vermögen. Eine Wolke ist somit keinesfalls ein ruhiges Gebilde ...

Vier hauptsächliche Prozesse finden in einem Wolkentropfen statt: die Zusammensetzung der Wolkenkondensationskeime und ihre Größe können sich ändern, nachdem die Tropfen verdunstet sind (Prozess 1 in Bild 1), Auflösung des löslichen Teils der Partikel (2) und Reaktionen in wässriger Phase im Inneren des Wassertropfens (3) sowie Austausch zwischen der atmosphärischen Gasphase und der flüssigen Phase (4).

Der Partikel im Tropfen

Die wasserlöslichen Bestandteile eines Aerosolteilchens bestimmen seine Fähigkeit, zu einem Regentropfen zu wachsen. Die chemische Zusammensetzung der Partikel, die als Wolkenkondensationskeime (CCN) fungieren, bestimmt die Anfangszusammensetzung des Wolkentröpfchens, da seine löslichen Bestandteile in das kondensierte Wasser übergehen. Die weniger hygroskopischen (wasserliebenden) Partikel, wie z.B. Pollen oder Partikel aus Biomasseverbrennung verbleiben in der umgebenden Luft.
Die Partikel aus der Verdunstung von Wolkentropfen unterscheiden sich von denen, die in die Wolke eintraten, da in der Wolke Reaktionen ablaufen.

2. Ein Schwefeldioxid-Molekül (1) wandelt sich in Ammoniumsulfat (2) um. Dieses wiederum wächst zu einem Ammoniumsulfat-Partikel (3) an. Diese Partikel sind hygroskopisch, was bedeutet, dass sie in Gegenwart von Wasser (4) schnell wachsen.
Autor: J. Gourdeau.

Die atmosphärischen Gase um den Tropfen herum

Ob eine chemische Spezies in der Gasphase verbleibt oder ob sie in Wassertropfen aufgenommen wird, wird nach dem sogenannten Henry-Gleichgewicht bestimmt. A(aq) = H_A P_A, wobei A(aq) die Konzentration in der wässrigen Phase in mol/L ist, P_A der Partialdruck von A in der Gasphase in atm und H_A die Henry-Konstante für das betrachtete Gas.
Einige Spezies gehen auch zurück in die Gasphase und bewegen sich vom Tropfen weg; andere verbleiben, wenn einmal eingefangen, mit der wässrigen Phase verbunden, bis diese wieder verdunstet.

Reaktionen im Inneren des Tropfens

Nicht weniger als hundert chemische Reaktionen laufen in einem Wassertropfen ab. Sie wirken sich oft in Änderungen in der Säure des Niederschlages aus und verursachen sauren Regen. Saurer Regen ist schädlich für die Vegetation und Tiere, die in Seen und Flüssen leben. Er führt auch zur Erosionen an Gebäuden. Die wichtigsten chemischen Substanzen in saurem Regen sind die Schwefelsäure (H₂SO₄) und die Salpetersäure (HNO₃).
 

All die komplexe Chemie, die sich in einer Wolke abspielt, verändert die Wolke selbst und die Atmosphäre um die Wolke herum. Wir müssen uns vorstellen, dass nur eine von sieben Wolken zu Regen führt und das Kondensationskeime an vielen Zyklen von Kondensation und Verdunstung (etwa 10 bis 25) beteiligt sind, bevor sie wieder den Erdboden erreichen ...

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Author: J. Gourdeau
Date of generation: 2003-12-4.
1st scientific reviewer: M. Leriche, CNRS LaMP, France.
Translation: Elmar Uherek - 2004-09-25