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So beeinflussen flüchtige organische Gase (VOC) Klima und Luftqualität © Lukas Pichelstorfer
So beeinflussen flüchtige organische Gase (VOC) Klima und Luftqualität © Lukas Pichelstorfer

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Eine Lücke in der Atmosphärenchemie berechne

03.08.2020

Flüchtige organische Kohlenwasserstoffe aus Straßenverkehr, Landwirtschaft, Kälte- und Lösungsmitteln können sich in Partikel verwandeln, aus denen Wolken entstehen. Lukas Pichelstorfer arbeitet in Finnland an Simulationsmodellen, um zu verstehen, wie die durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Gase in der Atmosphäre reagieren und wie sich das auf Klima und Luftqualität auswirkt.

Lukas Pichelstorfer, Physiker und Erwin-Schrödinger-Stipendiat des Wissenschaftsfonds FWF, will mit seinem Computermodell eine Wissenslücke auf dem Gebiet der Atmosphärenchemie schließen: zwischen dem bekannten Ursprung flüchtiger organischer Substanzen und ihrem Endprodukt Kohlendioxid. Aber auch zwischen theoretischer und experimenteller Atmosphärenchemie sowie bekannten Reaktionspfaden und gemessenen Molekülen. Der Abgleich der theorie-basierten Simulationsergebnisse mit experimentell erhobenen Daten soll das Modell verifizieren. In der Folge könnten verschiedene Auswirkungen der flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffe auf Klima und Luftqualität ermittelt werden.

Von VOC zu HOM

Jeder kennt flüchtige organische Verbindungen (VOC), zum Beispiel in Form von aromatischen Kohlenwasserstoffen. Wir riechen sie an der Tankstelle (Benzol) oder als Lösungsmittel in Lacken und Farben (Toluol), aber auch im Nadelwald (Pinene). Die Atmosphärenchemie unterscheidet flüchtige Kohlenwasserstoffe mit anthropogenem (AVOC) und solche mit biogenem Ursprung (BVOC). Egal aus welcher Quelle: Eine zu hohe Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen hat meist eine gesundheitlich nachträgliche Wirkung. Die Folgen reichen von Augen- über Atemwegsirritationen bis zu Krebserkrankungen. Allen gemeinsam ist, dass VOC in der Atmosphäre weiter reagieren. Am Ende der atmosphärischen Reaktionsketten "verbrennen" aromatische Kohlenwasserstoffe zum Treibhausgas CO2.

Dazwischen übernehmen die vom Menschen produzierten Gase (AVOC) weitere klimarelevante Funktionen. Die ursprünglich flüchtigen Substanzen reichern sich nach einer Erstreaktion immer weiter mit Sauerstoff an und werden in der Fachsprache HOM (highly oxygenated molecules) genannt. Diese HOM unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von den flüchtigen Ausgangsmolekülen fundamental. Sie können zur Bildung von Partikeln beitragen, an denen wiederum Wolken kondensieren. Oder die Luftqualität beeinflussen. Wolken haben einen großen, aber teilweise noch unerforschten Einfluss auf das Klima: "Ein besseres Verständnis für die Rolle von VOC bei ihrer Entstehung ist daher auch für die Klimaforschung relevant. Wie sich die Luftqualität durch emittierte VOC verändert, ist wiederum für Ballungsräume wichtig", erläutert Pichelstorfer.Masse bekannt - Struktur fraglich

Solche HOM-Moleküle können seit einigen Jahren mit hoch entwickelten Massenspektrometern eingefangen, jedoch noch nicht genau beschrieben werden: "Man kann sie messen, weiß aber weder genau, wie sie entstehen, noch wie ihre Struktur aussieht, und diese legt die Eigenschaften des Moleküls fest", erklärt der Forscher und weiter: "Wir entwickeln ein Modell an der Schnittstelle zwischen theoretischer und experimenteller Chemie, das rechnerisch die wahrscheinlichsten Reaktionspfade samt Abzweigungen verfolgt und die nachgewiesenen Moleküle erklären soll. Im nächsten Schritt soll das Modell die experimentell ermittelten Massenpeaks aus dem Spektroskop reproduzieren und die Eigenschaften der auf diesem Weg gebildeten möglichen Moleküle ermitteln", erklärt Lukas Pichelstorfer, der derzeit am Institute for Atmospheric and Earth System Research der Universität Helsinki forscht. Die Herausforderung liegt darin, theoretische Grundregeln für Reaktionen so einzuspeisen, dass der Code je nach Input und Bedingungen neu und automatisiert erzeugt werden kann.

Begonnen hat der Forscher mit Benzol, als Prototyp für einen aromatischen Kohlenwasserstoff, und rund 1700 Differentialgleichungen, die voneinander abhängen und das Reaktionssystem beschreiben. Derzeit werden die simulierten Moleküle aus dem Modell mit Messungen unter kontrollierten, aber variierenden Bedingungen verglichen. "Ein Modell für die Bildung von HOM durch Reaktion von AVOC in der Atmosphäre gibt es noch nicht. Das ist ein heißes Forschungsthema. Die Testfrage für das Modell lautet immer: Hält die simulierte Theorie der gemessenen Praxis und der angenäherten Realität des Geschehens in der Atmosphäre stand", erläutert Pichelstorfer. Dafür kooperiert der Schrödinger- Stipendiat des FWF mit Kollegen und Kolleginnen an verschiedenen Universitäten. Die Implementierung des Codes aus seinem Programm in bestehende Aerosoldynamik-Modelle und chemische Transportmodelle wird Aufschluss über den Beitrag von HOM hinsichtlich der Neubildung und des Wachstums von Partikeln in Messkammern und in der Natur liefern.

Atmosphärenchemie in Echtzeit

Parameter wie Temperatur, Luftdruck, Sonnenlicht, die Konzentration verschiedener Gase und vieles mehr sind Stellschrauben der Atmosphärenchemie. Das Team plant bereits Reality Checks in Istanbul (Türkei) und Nanjing (China). Dort sollen "Atmosphärenstücke" über der Stadt beschrieben und verfolgt werden. Was darin chemisch und physikalisch abläuft, wie die Luftqualität ist, wie giftig die entstehenden Substanzen sind und wie viele Kondensationskeime für Wolken auf diesem Weg entstehen, soll mit den Modellen errechnet werden. Schon jetzt arbeitet die Gruppe mit Städteplanerinnen und Städteplanern zusammen, um Empfehlungen abzugeben, wo man aufgrund starker von Menschen erzeugter Luftbelastung besser weder Krankenhaus noch Pflegeheim oder Kindergarten baut.

Zur Person

Lukas Pichelstorfer ist Aerosol-Physiker und arbeitet experimentell und rechnergestützt. Die Masterarbeit in Physik an der Universität Wien schrieb er über heterogene Keimbildung. Für die Dissertation an der Universität Salzburg modellierte er die Aerosol-Dynamik in der menschlichen Lunge. Seit 2019 erkundet der Schrödinger-Stipendiat des Wissenschaftsfonds FWF an der Universität Helsinki die Auswirkungen von flüchtigen organischen Molekülen in der Atmosphäre.

Publikationen

Roldin, P., Ehn, M., Kurtén, T. et al.: The role of highly oxygenated organic molecules in the Boreal aerosol-cloud-climate system, in: Nature Communications 10, 2019

Xavier, C., Rusanen, A., Zhou, P., Dean, C. et al.: Aerosol mass yields of selected biogenic volatile organic compounds - a theoretical study with nearly explicit gas-phase chemistry, Atmospheric Chemistry And Physics, 19, 2019

Olenius, T., Pichelstorfer, L., Stolzenburg, D. et al.: Robust metric for quantifying the importance of stochastic effects on nanoparticle growth, in: Scientific Reports, 8, 2018

Pichelstorfer, L., Stolzenburg, D., Ortega, J. et al.: Resolving nanoparticle growth mechanisms from size- and time-dependent growth rate analysis, in: Atmospheric Chemistry And Physics, 18, 2018

Kontakt: 
Ingrid Ladner
FWF - Der Wissenschaftsfonds
1090 Wien, Sensengasse 1
Redaktion scilog
ingrid.ladner@fwf.ac.at
T: +43-1/505 67 40-8117
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