Wolken & Partikel

Basis

Partikel: Was wird aus ihnen?

Sind Partikel einmal in der Atmosphäre, so finden Umwandlungen, Transport und Entfernungsprozesse statt. Solche Prozesse hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. Aerosolgröße, Konzentration, chemische Zusammensetzung, Ort von Bildung und Abbau, meteorologische Effekte, ...

Aerosol Konzentration und Verteilung

Die Konzentration von Partikeln in der Atmosphäre definiert eine Menge an Partikeln pro Volumen. Sie kann sowohl in einer Einheit von Masse oder von Anzahl pro Volumeneinheit ausgedrückt werden. Dies bedeutet, dass wir die Masse angeben, die wir z.B. beim Abwiegen aller Partikel in einem Volumen von 1 m³ (1000 Litern) erhalten oder die Anzahl von Partikeln, wenn wir sie zählen. In jedem Fall sind die Konzentrationen für verschiedenen Orte stark unterschiedlich. In einer abgelegenen ozeanischen Umgebung ist die Aerosolmasse mit etwa 5 µg/m³ um etwa einen Faktor drei niedriger, als in einer nicht-städtischen kontinentalen Umgebung (15 µg/m³). In den Städten kann die Partikelkonzentration 100 µg/m³ oder 1 Million Partikel pro cm³ übersteigen.

Das Bild links zeigt die Aerosolverteilung für eine marine, städtische und ländliche Umgebung. Aersol-Größenverteilungen beschreiben die Anzahl von Partikeln als Funktion ihres Radius. Wir sehen, dass die größte Anzahl von Partikeln in Städten gefunden wird (blaue Linie) und dass die meisten dieser Partikel sehr klein sind, mit weniger als 0,05 µm Radius. Allgemein ist die Größenverteilung städtischen Aerosols verschieden. Große Mengen an kleinen Partikeln finden sich in der Nähe der Quellen, aber ihre Konzentration fällt stark, je weiter sie von ihrem Ursprung entfernt sind.

Umwandlungsmechnismus

Aerosole verweilen nicht unendlich lange in der Atmosphäre. Im allgemeinen beträgt ihre Aufenthaltszeit in der Troposphäre nicht mehr als einige Tage. Bevor sie die Atmosphäre verlassen, finden oft Umwandlungsmechanismen statt. Solche Umwandlungen sind Koagulation, Kondensation und Wolkenbildung. Erklärt werden sie im Teil 'Mehr' Einheit 2.

Entfernung von Partikeln

Während ihrer Lebenszeit in der Atmosphäre mögen sich Aerosole physikalisch oder chemisch verändern. Sie verweilen jedoch nicht für Jahre in der Troposphäre. Da aus menschlichen wie natürlichen Quellen ständig Aerosol neu erzeugt wird, muss es auch wieder irgendwohin verschwinden. Anderenfalls könnten wir nicht mehr atmen und würden auch bald unsere Füße nicht mehr sehen.

Den Weg, über den Partikel wieder aus der Atmosphäre entfernt werden, bezeichnen wir als Deposition. Der Begriff drückt aus, dass der einzige Weg für einen Partikel die Rückkehr zur Erde ist. Er kann nicht durch Zauberei verschwinden! Näher erklärt werden die Depositionswege in der Einheit 'Partikel' in 'Mehr'.

Die Verweildauer von Partikeln in der Atmosphäre ist natürlich umso kürzer, je größer sie sind. Ein großer Partikel sinkt durch die Schwerkraft, genauso wie ein kleiner Stein von einem erhöhten Ort zu Boden fällt. Er fällt mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Sekunde. Dies ist der Grund, weshalb größere Partikel nur in der Nähe ihrer Quellen gefunden werden. Der Wind spielt jedoch eine Schlüsselrolle. Von einer Feder wissen wir, dass sie länger in der Luft schweben kann, wenn wir sie durch Blasen vorantreiben. Dasselbe ist auch für Partikel der Fall, wenngleich wir sie auf Grund ihrer geringen Größe nicht sehen.

Partikel können auch über tausende von Kilometern getragen werden. Saharastaub findet man z.B. bisweilen an der Ostküste Südamerikas.

Ein Sonderfall: Stratosphärisches Aerosol

Für gewöhnlich liegt die Aufenthaltszeit von Aerosolen (die durchschnittliche Zeit, die ein Partikel in der Atmosphäre verweilt, bevor er sich niederschlägt), unter einer Woche. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, wenn es sich um vulkanische Partikel handelt. Große Vulkane können ihre Asche direkt in den oberen Teil der Atmosphäre, die Stratosphäre, emittieren. Sie emittieren primäre Aerosole, aber auch SO₂, welches wiederum sekundäres Aerosol bildet. Aus der Stratosphäre werden Partikel nicht so schnell wieder entfernt und verbreiten sich über die ganze Welt. Stratosphärisches Aerosol kann über mehrere Jahre verweilen.

Der Ausbruch des Pinatubo

Nach 600 Jahren Ruhe brach am 15.06.1991 der Mount Pinatubo auf den Philippinen aus. 20 Millionen Tonnen an Schwefeldioxid SO₂ wurden in die Stratosphäre katapultiert. Drei Wochen später hat sich das SO₂ rund um die Erde verteilt (siehe Bild links).

Wir können den 'Pinatubo-Effekt' beobachten. Rote Farben zeigen die höchsten Werte, dunkelblaue Farben die niedrigsten Werte, die üblicherweise in der Stratosphäre beobachtet werden.

Das erste Bild zeigt stratosphärisches Aerosol vor dem Ausbruch;

Bild 2 und 3 zeigen die Situation 1 und 3 Monate nach der Explosion;

Bild 4 zeigt den Zustand zwei Jahre später. Die Atmosphäre ist immer noch gestört.

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Author: Justine Gourdeau LaMP Clermont ferrand/France.
Scientific reviewing: Dr Serge Despiau, LEPI, Toulon, France.
translation: Elmar Uherek, Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, 2004-08-17
date of generation: 2003-09-04