Wie sich natürlicher Klebstoff auf die atmosphärische Chemie auswirkt
Organische Kohlenstoffverbindungen, die von Bäumen freigesetzt werden, beeinflussen die Luftqualität, wie neue Forschungen zeigen. Wissenschaftler aus Dänemark, Neuseeland und den USA haben entdeckt, dass die Oxidation von Isopren, ein Kohlenwasserstoff, Gas- und Aerosolphaseprodukte erzeugt, und dass dieser Prozess sich wiederum auf die Erderwärmung auswirkt. Die Ergebnisse wurden in dem Magazin Science veröffentlicht. Isopren (das auf natürliche Weise in Pflanzen und Tieren produziert wird und eine Ozonvorstufe ist) wird von zahlreichen Laubbäumen an die Umwelt abgegeben. Besonders viel davon emittieren etwa Eichen. Weltweit wird die Isopren-Emission von Pflanzen auf mehr als 500 Teragramm jährlich geschätzt. In einem Begleitartikel erklärt Dr. Tadeusz Kleindienst, in der amerikanischen Umweltbehörde (US Environmental Protection Agency - EPA) für atmosphärische Chemie zuständig, dass Isopren "die bedeutendsten chemischen Eigenschaften von allen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen hat." Die Reaktionszeit von Isopren mit Hydroxyl-Radikalen (OH), dem "Reinigungsmittel der Atmosphäre", ist sehr kurz. "Mischt man Emissionen aus städtischen Gebieten mit Emissionen aus Pflanzen, so wirken diese gegenseitig aufeinander ein und verändern die Chemie der Atmosphäre", erklärt Projektleiter Paul Wennberg, Professor für atmosphärische Chemie und Umweltwissenschaften am California Institute of Technology (Caltech) in den USA. "Sieht man einmal von Methan und Kohlendioxid ab, kommt Isopren häufiger als die meisten anderen vom Menschen produzierten Gase (Benzin, Industriechemikalien) vor." Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Labortests durch, die gezeigt haben, dass bei niedrigen Konzentrationen von Stickoxid (NO) (wie sie in eher menschenleeren Gebieten vorkommen) die Oxidation von Isopren durch OH große Mengen an Hydroxy-Hydroperoxid produziert. OH führt zu einer weiteren Oxidation von Isopren und erzeugt chemische Verbindungen, die Dihydroxy-Epoxide genannt werden (auch als Epoxide bekannt). Diese werden in Aerosole umgewandelt und kommen in kleinen Mengen in der Luft vor. Fabien Paulot, der Hauptautor der Studie und Doktorand am Caltech, und seine Kollegen haben künstlich Epoxide produziert, indem sie Isopren und Hydrogenperoxid in einen Teflonbeutel mit 800 Litern sauberer Luft gefüllt haben. Anschließend wurde das Gemisch aus Isopren und Hydrogenperoxid (das als Quelle für OH diente) mit ultraviolettem (UV) Licht bestrahlt, das dann die chemische Reaktion ausgelöst hat. Den Forschern zufolge sind die daraus resultierenden Epoxide sehr stark löslich und lassen sich leicht in Feuchtigkeitstropfen in der Luft auflösen. Auf diese Weise entstehen organisch reiche Aerosole. "Diese Epoxide sind der Klebstoff der Natur", stellt Professor Wennberg fest. "Treffen die Epoxide auf saure Teilchen, verwandeln sie sich in eine Art Klebstoff. Die Epoxide werden aus der Atmosphäre ausgefällt und bleiben an den Partikeln hängen. Sie bewirken, dass diese Partikel wachsen und beeinträchtigen die Sichtbarkeit in der Atmosphäre." Dieses Phänomen, so die Wissenschaftler, verstärkt sich wahrscheinlich in einer Umgebung mit hoher Luftverschmutzung, da der Säuregrad der Aerosole in der Regel unter Präsenz menschlicher Aktivität höher ist. Wie aber wirken sich diese Partikel auf den Menschen aus? "Partikel in der Atmosphäre", so Professor John Seinfeld vom Caltech-Institut, "haben, wie wir gezeigt haben, Einfluss auf die menschliche Gesundheit, da sie winzig genug sind, um tief in die Lunge des Menschen einzudringen. Aerosole wirken sich auch auf das Klima der Erde aus, und zwar durch die Streuung und Absorption der Sonnenstrahlen und aufgrund der Tatsache, dass sie als Kondensationskerne dienen, aus denen sich Wolken bilden. Es ist daher wichtig zu wissen, woher diese Partikel kommen." Diese jüngsten Erkenntnisse können den Wissenschaftlern helfen, bessere Modelle für die Gas-Aerosol-Gesamtkonzentration zu entwickeln, und die Forscher werden in Zukunft besser in der Lage sein, zu verstehen, wie sich Isopren in einigen der entlegensten Gebiete der Erde auf die Atmosphäre auswirkt. "Der vielleicht bedeutendste Aspekt der Arbeit von Paulot et. al. ist ihr praktischer Wert", betont Dr. Kleindienst. "Luftqualitätsmodelle für die Bildung sekundärer organischer Aerosole, wie sie zum Beispiel von der amerikanischen Umweltbehörde genutzt werden, haben in der Regel nur eine begrenzte Vorhersagefähigkeit, da sie auf Experimenten basieren, bei denen die Aerosolerträge anhand der Reaktion von Vorläuferverbindungen gewonnen wurden", erklärt er. "Eine Einbeziehung der chemischen Mechanismen, die von Paulot und anderen experimentell entwickelt wurden, in deterministische Gas-Aerosol-Modelle dürfte daher dazu beitragen, ihre Vorhersagefähigkeit zu verbessern." An den Arbeiten haben auch Wissenschaftler der Universität Kopenhagen in Dänemark und der Universität Otago in Neuseeland teilgenommen.
Länder
Dänemark, Neuseeland, Vereinigte Staaten