Wolken & Partikel

Basis

Woher kommen die Partikel?

Aerosole sind kleine feste oder flüssige Partikel, die in der Luft schweben. Ihre Größe variiert von einigen wenigen Nanometern (0,000000001 Meter) bis zu fast 100 Mikrometern (0,0001 m). Aus diesem Grunde können wir sie in der Regel nicht sehen.

Aerosole kommen sowohl aus natürlichen wie auch aus von Menschen gemachten (anthropogenen) Quellen. Sie können direkt als Partikel emittiert werden (primäres Aerosol) oder Produkt einer chemischen Reaktion sein (sekundäres Aerosol).

Quellen primären Aerosols

Aerosol kann einen natürlichen oder einen durch den Menschen bedingten Ursprung haben.

Mariner Ursprung

Seesalz-Aerosol wird durch die Gischt erzeugt, wenn Wellen bei hohen Windgeschwindigkeiten brechen. Es sind die größten Partikel, die für gewöhnlich reich an Natriumchlorid (Kochsalz) sind. Die Partikel bilden sich durch das Platzen von in den Schaumkronen eingeschlossener Luftblasen. Etwa 1,3 Milliarden Tonnen an Aerosol wird jährlich aus den Ozeanen in die Atmosphäre entlassen.

Mineralischer Ursprung

Der Wind kann Partikel von der Oberfläche aufnehmen, insbesondere dann, wenn der Boden trocken ist und kaum von Pflanzen bedeckt wird. Er trägt die feinen Körner über größere Distanzen. Die Partikel bestehen aus Stoffen der Erdkruste und sind daher reich an Oxiden von Eisen, Calcium und Aluminium. Etwa die Hälfte der Mineralpartikel auf der Welt kommt aus der Wüste Sahara.

Vulkanischer Ursprung

Vulkane emittieren eine große Menge an Gasen und Aerosolen in die Atmosphäre. Im Gegensatz zu anderen Aerosolquellen können Aschewolken so hoch reichen, dass Partikel und Gase in die Stratosphäre eindringen. Beim Ausbruch des Pinatubo erreichte die Wolke eine Höhe von 40 km.

Partikel, die in die obere Atmosphäre eindringen, werden nicht so einfach ausgewaschen. Vulkanische Emissionen verbleiben daher für lange Zeit in den Schichten, in die sie eingetragen wurden (bis zu einigen Jahren). Auch die von den Vulkanen ausgestoßenen Gase bilden Aerosole. All diese stratosphärischen Partikel haben einen großen Einfluss auf das Klima. Weitere Details hierzu in 'Mehr'.

Biogener Ursprung

Partikel, die durch die Aktivität von lebenden Organismen hervorgebracht werden, bezeichnen wir als biogene Partikel. Primäre biogene Aerosole können Pollen, Pilze, Bakterien oder Viren sein. Eine andere Quelle sind Waldbrände, die Partikel in die Atmopshäre entlassen. So führte der Rauch von Feuern in Malaysia z.B. dazu, dass im Jahr 1997 innerhalb weniger Wochen ein um Faktor 15 höheres Niveau an Partikelverschmutzung in der Luft erreicht wurde, als es normalerweise über das ganze Jahr der Fall ist.

Kosmischer Ursprung

Auch Staub aus unserem Sonnensystem tritt in die Atmosphäre ein. Der Hauptteil hiervon wird in den oberen Schichten der Atmosphäre verbrannt und erzeugt die Sternschnuppen, die wir beobachten. Einige dieser Partikel erreichen jedoch auch die Erdoberfläche. Diese Partikel, die kleiner als 0,5 mm sind, bezeichnen wir als Mikrometeoriten. Wissenschaftler nehmen an, dass über das Jahr mindestens einige tausend Tonnen an Material aus dem Weltraum den Erdboden erreicht.

Menschlicher Ursprung

Partikel, die aus menschlicher Aktivität emittiert werden, bezeichnen wir als anthropogenes Aerosol (griech.: anthropos = der Mensch). Anthropogen können sowohl die Quellen von feinen als auch von groben Partikeln sein. Staub von Straßen und Baustellen (z.B. Zementmaschinen) produzieren primäre anthropogene Partikel. Kleinere Partikel, wie z.B. Kohlenstoff enthaltende Aerosole, werden bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Stromgeneratoren, Fahrzeugen und privaten Heizungen erzeugt.

Auch wenn sie keinen direkten Einfluss auf das Klimasystem haben, sollten wir auch diejenigen Partikel nicht vergessen, die wir in geschlossenen Räumen einatmen. Staubmilben, Fasern, Insektensprays oder Asbest können z.B. sehr schädlich für die Gesundheit sein.

5.  Mit einem Elektronentransmissionsmikroskop wurden die oben gezeigten Bilder aufgenommen.
Von links nach rechts: : Partikel aus der Wüste (Quelle: A. Gaudichet, LISA); Hibiscus-Pollen (Quelle:http://uq.edu.au/nanoworld); Aschepartikel vom Ausbruch des Mount St. Helens Vulkan (Quelle:http://volcanoes.usgs.gov); Schimmelpilz in Innenräumen (Quelle:M. Boissier, CSTB);
Rußpartikel (MPI für Chemie Mainz).

Sekundäre Aerosole

Wie wir gesehen haben, können Aerosole aus verschiedenen Quellen direkt erzeugt werden (marin, mineralisch, vulkanisch, biogen, anthropogen). Festes Material war der Ausgangspunkt der Partikelfreisetzung. Partikel können jedoch auch ein Ergebnis der Umwandlung von der Gas- in die Partikelphase sein. Dies bedeutet, dass neue Partikel entstehen, wenn Moleküle zusammenfinden. Die Moleküle selbst können zu klein sein, um schon als Partikel vorzuliegen. Einen solchen Prozess bezeichnen wir als Nukleation. Gase können auch auf schon existierenden Partikeln kondensieren und so größere Partikel bilden. Partikel, die durch Umwandlung aus der Gasphase entstehen, sind im Übrigen fein (kleiner als 1 µm) im Vergleich zu direkt freigesetzten (z.B. Mineralstaub, Pollen, Seesalz-Aerosol), die oft einen Durchmesser von mehr als 10 µm haben.

Auch die Vegetation (Pflanzen) emittiert Gase, die wir als flüchtige organische Stoffe (engl.: VOC = volatile organic compounds) bezeichnen. Wenn wir an einer Blume riechen, nimmt unsere Nase solche VOC wahr. (Näheres hierzu in: untere Atmosphäre -> Pflanzenemissionen). Solche biogenen Gase können neue Partikel bilden (sekundäres Aerosol).

Der Hauptteil des sekundären natürlichen Aerosols entsteht aus der Reaktion von Schwefelgas-Emissionen. In der ozeanischen Umwelt wird der meiste Schwefel als Dimethylsulfid (DMS) von Phytoplankton emittiert. Reaktionen von DMS mit anderen atmosphärischen Stoffen führen zur Bildung von Schwefeldioxid (SO₂). An Land führen biologische Abbauprozesse in der Pflanzen- und Tierwelt zur Freisetzung von Schwefelwasserstoff (H₂S), ein Gas, das ekelhaft nach faulen Eiern riecht. Vulkane setzen SO₂ direkt frei. Solche Gase können in weiteren Reaktionen Sulfataerosole bilden.

Natürliche Quellen führen auch zur Bildung von kohlenstoffhaltigen Gasen, die zur Bildung von Aerosol führen.
 

Die jährliche Bildungsrate von anthropogenen  SO₂ Emissionen ist von etwa 10 Mio. Tonnen im Jahr 1860 auf 150 Mio. Tonnen in den 80er Jahren angestiegen. Heute werden die menschlichen SO₂ Emissionen auf 70 bis 90 Millionen Tonnen im Jahr geschätzt (IPCC 2007). Dies ist der Erfolg von gesetzlichen Maßnahmen und moderner Filtertechnologie, die z.B. in Europa (EU-25) zu einer Reduktion von 18 Mio. t (1980) auf 4 Mio t (2002) geführt hat. Für schwefelhaltige Gase übersteigen aber immer noch die anthropogenen Emissionen die natürlichen. Eine wichtige Quelle sind auch die Schiffe auf den Ozeanen.
 

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Author: Justine Gourdeau LaMP Clermont ferrand/France
Scientific reviewer: Pr Guy Cautenet, LaMP, France.
date of generation: 2003-09-02; last published: 2004-04-21.
Übersetzung 2004 und letzte Überarbeitung 2007-09-04: Elmar Uherek, Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz