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In die Atmosphäre gelangt Pyridin vor allem durch den Menschen © APA
In die Atmosphäre gelangt Pyridin vor allem durch den Menschen © APA

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Rektor der Uni Innsbruck entdeckte Wolkenbildungs-Beschleuniger

21.10.2019

Wie Pyridinium-Ionen dazu beitragen können, dass sich die frühe Phase der Wolkenbildung intensiviert, zeigte ein Forscherteam um den Physiker Tilmann Märk, Rektor der Universität Innsbruck, im Fachjournal "PNAS". Demnach könnte der bisher unbekannte Mechanismus, den der durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre gebrachte Schadstoff auslöst, Wetter und Klima mitbeeinflussen.

Den Grundstein zur Bildung der aus unzähligen winzigen Wassertröpfchen bestehenden Wolken bilden sehr kleine Aerosolpartikel in der Atmosphäre. Diese typischerweise aus einer kleinen Anzahl von Molekülen bestehenden Partikel werden auch als Cluster bezeichnet. An ihrer Bildung können wiederum Schadstoffe in der Luft maßgeblich mitwirken. Diese "Gas-zu-Partikel-Konversion" zeichne weltweit für rund die Hälfte der sogenannten Kondensationskerne verantwortlich, schrieben die Wissenschafter in der Arbeit.

Wie sich nun solche Schadstoffe wie Pyridin - der Ausgangsstoff für Pyridinium - diesen frühen Phasen der Wolkenbildung mikrophysikalisch auswirken, haben die Wissenschafter aus Frankreich, Japan und Österreich mit einer neuentwickelten Apparatur der Arbeitsgruppe um Michel und Bernadette Farizon am Institut de Physique des 2 Infinis in Lyon (Frankreich) analysiert. "Während in den letzten Jahren die Stabilität von reinen Wasserclustern untersucht wurde, sind jetzt das erste Mal auch gemischte Cluster an der Reihe, im speziellen Fall also Wassercluster gedopt mit Pyridinium", so Märk gegenüber der APA.

Pyridinium-Ionen fördern Wolkenwachstum

Durch die neu entwickelten Methoden war es den Wissenschaftern möglich, diese speziell präpartierten Nanotropfen durch Stöße energetisch anzuregen und dann detailliert nachzuvollziehen, mit welcher Geschwindigkeit verdampfende Wassermoleküle abgegeben werden. Aus einer Vielzahl an detaillierten Messungen lässt sich so herausfinden, wie viel Energie von dem Tröpfchen aufgenommen wird und wie schnell sich diese Überschussenergie dort verteilt (Thermalisierung) oder in welcher Form diese Energie zum Abdampfen von Wassermolekülen führt.

"Die Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein eines Pyridinium-Ions in einem Wasseraggregat dessen thermodynamische Eigenschaften radikal ändert", so Märk, der neben seiner Tätigkeit als Rektor immer wieder mit dem Team in Lyon an der Planung, Umsetzung und Interpretation der Experimente der dortigen Gruppe mitarbeitet. Es zeigte sich, dass Wassermoleküle deutlich langsamer verdampfen, wenn sich ein Pyridinium-Ion in dem Wolken-Kondensationskeim befand. Im Umkehrschluss heißt das, dass die dotierten Wasseraggregate rascher wachsen als solche, die nur aus Wasser bestehen. Diese Ionen beschleunigen also das frühe Wolkenwachstum.

In die Atmosphäre gelangt Pyridin vor allem durch den Menschen, wenn etwa Biomasse verbrannt wird, Autoabgase, Tabakrauch oder Dämpfe von Teer aufsteigen. Einmal in der Luft geht man davon aus, dass es dort 23 bis 46 Tage bestehen bleibt. "Pyridin ist in den allerersten Phasen der Bildung von Nanotropfen beteiligt. Wenn der Wassertropfen wächst, wird das Pyridin eventuell wieder freigesetzt. Dann kann das Molekül erneut eingreifen, um einen nächsten Tropfen zu bilden. Pyridin wirkt hier also wie ein Katalysator, und da es nicht in den Aerosolen verbleibt, war seine diesbezügliche Rolle bisher unentdeckt geblieben", so Märk.

Besseres Verständnis des Klimawandels

Der Weltklimarat (IPCC) sieht im Anstieg der Aerosole und der Wolken seit der Zeit vor der industriellen Revolution eine der größten Fragezeichen betreffend die Prognose des Klimawandels. Die neuen Erkenntnisse des Forschungsteams im Nanometerbereich könnten das Verständnis für weit größere Abläufe verbessern, denn alles deute darauf hin, dass "ein mehr oder weniger von Pyridin in der Atmosphäre durchaus Konsequenzen in dieser Beziehung haben" dürfte, so der Rektor der Uni Innsbruck: "Natürlich werden auch andere Verunreinigungen in der Atmosphäre die Kondensationprozesse verändern und es wird also wichtig sein, weitere diesbezügliche Experimente mit anderen Molekülkombinationen durchzuführen."

Service: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1911136116

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