Aerosole. Ursprung, chemische Eigenschaften und Wirkung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aerosolquellen
2.1 Primäraerosole bzw. Dispersionsaerosole
2.2 Sekundäraerosole bzw. Nukleationsaerosole
2.3 Anteile natürlicher und anthropogener Quellen

3. Größenverteilung

4. Chemische Zusammensetzung

5. Lebenslauf Troposphärischer Aerosole / Senken
5.1 Umwandlungsprozesse
5.2 Senken
5.3 Lebensdauer
5.4 Partikeltransport

6. Klimawirkung
6.1 Indirekter Klimaeffekt
6.2 Direkter Klimaeffekt
6.3 Quantifizierung der Effekte

7. Einfluss auf die Gesundheit

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Teilchendurchmesser einiger Partikel

Abbildung 2 Rußpartikel

Abbildung 3 Tröpfchenbildung beim Zerplatzen von Meerwasserblasen

Abbildung 4 Globale Seesalz-Quellstärken in kg km-2 hr-1

Abbildung 5 Quellstärken von Mineralstaub in kg km-2 hr-

Abbildung 6 Sulfataerosole

Abbildung 7 Quellstärken anthropogener Sulfataerosole in kg km-2 hr-

Abbildung 8 Quellstärken natürlicher Sulfat-aerosole in kg km-2 hr-1

Abbildung 9 Trimodales Volumenspektrum (Whitby Spektrum)

Abbildung 10 Seesalzaerosole unter dem Polarisationsmikroskop

Abbildung 11 Typische Zusammensetzung eines feinen kontinentalen.. Aerosols

Abbildung 12 Umwandlungsprozesse von troposphärischen Aerosolen

Abbildung 13 Depositionsgeschwindigkeit von Partikeln auf Gras. Feldmessungen aus versch. Experimenten

Abbildung 14 Lebenszeit von Aerosolen in Abhängigkeit der Partikelgröße . für verschiedene Verlustprozesse

Abbildung 15 Teilchenzahldichte als Funktion der Höhe

Abbildung 16 Ship Tracks

Abbildung 17 Strahlungsantrieb durch Spurengase und Aerosole

1. Einleitung

Aerosol bedeutet wörtlich übersetzt „in Luft gelöst“ (aus dem griech. oder lat. aer = Luft und sole = Lösung).¹ Streng genommen bezeichnet es ein Trägerfluid mit darin suspendierten Partikeln. In der wissenschaftlichen Literatur wird der Begriff „Aerosol“ jedoch meist gleichbedeutend mit den Partikeln verwendet, ohne das Trägergas mit einzuschließen.² Die Teilchen haben einen Durchmesser von etwa 10-² bis 10² µm und können sowohl fest als auch flüssig sein. Typische Aerosole sind z.B. Seesalzkerne aus den Ozeanen, Mineralteilchen aus Vulkanausbrüchen oder Wüsten-regionen, Kohlestaub, Rußpartikel aus Feuerungsanlagen³ oder sulfathaltige Partikel, die aus Gasen entstanden sind.⁴ Aerosole können sich in der Atmosphäre

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Abbildung 1 Teilchendurchmesser einiger Partikel

(Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.226.)

weiträumig verteilen. Maßgeblich für ihre Bewegung und Lebensdauer sind Größe, Dichte und Konzentration der Partikel. Da sie als Kondensationskerne für die Wolkenbildung verantwortlich sind (indirekter Klimaeffekt) und die Atmosphäre trüben (direkter Klimaeffekt), beeinflussen sie den Strahlungshaushalt der Erde und somit auch das Klima.⁵ Derzeitige Forschungsergebnisse deuten auf einen dem Treibhauseffekt gegenläufigen, also einen abkühlenden Effekt hin.⁶ Auch auf die menschliche Gesundheit üben Aerosole einen Einfluss aus. Je nach Partikelgröße können sie bis in die Lungenalveolen vordringen.⁷ Diese Arbeit beschreibt den Lebenslauf und die Eigenschaften der Aerosole sowie ihre Einflussnahme auf das Klima und die menschliche Gesundheit.

2. Aerosolquellen

Grundsätzlich lassen sich zwei verschiedene Aerosolklassen unterscheiden. Die Primärpartikel, auch Dispersionsaerosole genannt, werden direkt in die Atmosphäre emittiert. Zu ihnen gehören Mineralstaub, Seesalz und Partikel, die als Folge von Verbrennungsvorgängen entstehen, wie z.B. Rußpartikel (siehe Abbildung 2).⁸ Sekundärpartikel, auch Nukleationsaerosole genannt, werden aus Vorläufersubstanzen in der Gasphase durch homogene Nukleation gebildet.⁹ Dieser Vorgang wird häufig auch als „gas to particle conversion“ bezeichnet.¹⁰ Solche sekundären Aerosole enthalten oft Ammonium-, Sulfat- oder Nitrat-Ionen in Form von Salzen und Säuren.¹¹ Beide Aerosoltypen werden sowohl natürlich als auch anthropogen emittiert.

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Abbildung 2 Rußpartikel ( http://www.atmosphere.mpg.de/enid/4d5d66fb7438f442525da5a6c 06be5b0,0/jd.html, 27.03.04.)

2.1 Primäraerosole bzw. Dispersionsaerosole

Die bedeutendste Quelle für natürliche Dispersionsaerosole ist das Meer.¹² Die so genannten Seesalzaerosole entstehen durch das Zerplatzen von Gasbläschen, welche sich bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 3 m/s in den Wellenkämmen bilden. Zwei verschiedene Mechanismen bewirken da-bei die Aerosolbildung. Beim Zerplatzen der Blasenhaut an der Wasseroberfläche entsteht eine große Anzahl kleiner Tröpfchen im Mikro-meterbereich, sowie ein

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Abbildung 3 Tröpfchenbildung beim Zerplatzen von zentraler Jet aus großen Meerwasserblasen

(Walter Roedel, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, 1992, S.376.)

Tröpfchen. Diese Seesalz-tröpfchen dampfen in der Luft auf etwa die Hälfte ihres ursprünglichen Durchmessers ein (siehe Abbildung 3). Abbildung 4 zeigt eine grafische Darstellung der globalen Seesalzquellen.

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Abbildung 4 Globale Seesalz-Quellstärken in kg km-² hr-¹

(IPCC, Climate Change 2001: The Scientific Basis, 2001, S.298.)

Der natürliche Primäraerosoleintrag der Landmassen resultiert vorwiegend aus der Aufwirbelung fester Teilchen duch den Wind. Die Windkräfte bewegen die Partikel dabei tangential zur Erdoberfläche, wodurch die Adhäsionskräfte reduziert werden. Stöße mit den Unebenheiten des Untergrunds verleihen den Partikeln den nötigen Vertikalimpuls, um vom Boden weggetragen zu werden.¹³ Dieser Prozess stellt die zweitwichtigste direkte Aerosolemission dar. Die bedeutendsten Quellen für diesen Staub aus mineralischen Bestandteilen sind Wüsten und wüstenähnliche Gebiete, die jährlich etwa 200 bis 500 · 10⁶ t Mineralstaub in die Atmosphäre abgeben (siehe Abbildung 5). Die mittlere Zusammensetzung dieser Aerosolteilchen entspricht der der Erdkruste. Der zum atmosphärischen Hintergrundaerosol gehörende Mineralstaub (Teilchenkonzentration 300 cm-³ ) ist ubiquitär und selbst in Reinluftgebieten anzutreffen.¹⁴ Weitere natürlich emittierte Partikel sind die biogenen Aerosole. Zu ihnen gehören Bakterien, Pilze, Viren, Algen Pollen, Sporen usw. Ihre Rolle im Klimasystem ist jedoch bis heute mangels ausreichender Daten nicht genügend quantifizierbar. Buschfeuer und Vulkane sind ebenfalls als Quellen zu nennen. Vulkane stoßen sowohl Primäraerosole in Form von Rußpartikeln, als auch Vorläufergase von Sekundäraerosolen wie SO2 aus (siehe auch Kap. 2.2), die bis in die Stratosphäre gelangen können.¹⁵

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Abbildung 5 Quellstärken von Mineralstaub in kg km-² hr-¹

(IPCC, Climate Change 2001: The Scientific Basis, 2001, S.298.)

Anthropogene Quellen von Primäraerosolen sind beispielsweise Dieselfahrzeuge¹⁶ oder Kraft- und Fernheizwerke, bei deren Verbrennungsvorgängen Russpartikel emittiert werden, viele Industrieprozesse wie die Metallverarbeitung, der Umschlag von Schuttgütern oder der Abrieb von Autoreifen.¹⁷

2.2 Sekundäraerosole bzw. Nukleationsaerosole

Wie bereits erwähnt, werden die Sekundäraerosole nicht direkt in die Atmosphäre abgegeben, sondern aus gasförmigen Stoffen in der Atmosphäre durch homogene Nukleation gebildet. „Die homogene Nukleation (auch homogene Kondensation genannt) ist der Vorgang, bei dem durch statistische Fluktuationen im rein gasförmigen Trägermedium Dampfmoleküle in genügender Zahl zusammentreffen, um ein Tröpfchen also eine neue Phase bilden zu können.“¹⁸ Die homogene Nukleation setzt eine Übersättigung der beteiligten Gase voraus. Gase, die bevorzugt kondensieren, besitzen daher einen geringen Dampfdruck. Zu ihnen gehören z.B. Schwefelsäure (H2SO4) bzw. Sulfat (SO4² -) oder Salpetersäure (HNO3), sowie zahlreiche organische Verbindungen. H2SO4 bzw. SO4² - entsteht in der Atmosphäre vorwiegend durch die Oxidation von Schwefeldioxid (SO2); Salpetersäure wird bei der Reaktion von NO2 mit OH gebildet.¹⁹ Die wichtigste Reaktion, die für die Bildung von Nukleationsaerosolen in der Atmosphäre mitverantwortlich ist, ist wahrscheinlich die erstgenannte Oxidation des SO2 zu H2SO4 bzw. SO4² -.²⁰ Die daraus entstehenden Sulfat- oder Schwefelsäureaerosole (siehe Abbildung 6) stellen den größten Anteil anthropogen emittierter Aerosole dar (siehe auch Tabelle 1). Für mehr als zwei Drittel des Eintrags an Schwefelgasen ist der Mensch verantwortlich, wovon ca. 90% auf der Nordhalbkugel entstehen. Dort sind die Emissionen sogar rund fünfmal so hoch wie die natürlichen Einträge, während sie auf der Südhalbkugel nur einem Drittel der natürlichen entsprechen (siehe Abbildungen 7 und 8).²¹ Das SO2 wird bspw. durch die Verbrennung fossiler, schwefelhaltiger Energieträger wie Kohle und Erdöl, oder beispielsweise bei der Produktion von Düngemittel, Schwefelsäure, emittiert.²²

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Abbildung 6 Sulfataerosole

(Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Sulfat-Aerosole und Klimawandel, S.51.)

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Abbildung 7 Quellstärken anthropogener Sulfataerosole in kg km-² hr-¹

(IPCC, Climate Change 2001: The Scientific Basis, 2001, S.298.) Stahl und Eisen oder Zellstoffen

Die wichtigste nicht-anthropogene Quelle für Sulfat-Aerosole mit Durchmessern unter 1 µm ist DMS [Dimethylsulfid, (CH3)2S], das vom Phytoplankton in den Meeren abgegeben wird und ebenfalls zu H2SO4 sowie leicht kondensierender Methansulfonsäure (MSA; CH3SO3H) reagiert. Außerdem setzen Vulkane, Sümpfe und Moore in geringen Mengen H2S und SO2 frei.²³ Rund die Hälfte des SO2 wird in der Atmosphäre zu H2SO4 oder SO4² - oxidiert (der Rest wird durch den Regen ausgewaschen oder an der Bodenoberfläche absorbiert). Von diesen 50% wird wiederum ca. die Hälfte durch heterogene Prozesse umgesetzt und der verbleibende Rest steht für die homogene Nukleation zur Verfügung.²⁴

[...]

¹ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.225.

² Vgl. Nicole Riemer, Numerische Simulation zur Wirkung des Aerosols auf die Troposphärische Chemie und die Sichtweite,2002, S.7.

³ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.225.

⁴ Vgl. Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Sulfat-Aerosole und Klimawandel, S.46-53.

⁵ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.225/226.

⁶ Vgl. Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Sulfat-Aerosole und Klimawandel, S.46-53.

⁷ Vgl. http://aerosolforschung.web.psi.ch/Was_Page/Was_Page.htm, 27.03.04.

⁸ Vgl. Nicole Riemer, Numerische Simulation zur Wirkung des Aerosols auf die Troposphärische Chemie und die Sichtweite,2002, S.11.

⁹ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.229.

¹⁰ Vgl. Ruprecht Jaenicke, Atmosphärische Spurenstoffe, 1987, S.323.

¹¹ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.229.

¹² Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.227.

¹³ Vgl. Walter Roedel, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, 1992, S.374-376.

¹⁴ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.227.

¹⁵ Vgl. IPCC, Climate Change 2001: The Scientific Basis, 2001, S.300.

¹⁶ Vgl. www.dieselkrebs.de, 30.03.04.

¹⁷ Vgl. Claus Bliefert, Umweltchemie, 3.Auflage 2002, S.228.

¹⁸ http://klima.physik.uni-mainz.de/~script/public/ExpMet3/Texte/Kapitel5.pdf, 30.03.04.

¹⁹ Vgl. www.iup.uni-heidelberg.de/institut/studium/lehre/ Atmosphaerenphysik/script2/Aerosole.pdf, S.5, 30.03.04.

²⁰ Vgl. Walter Roedel, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, 1992, S.370.

²¹ Vgl. Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Sulfat-Aerosole und Klimawandel, S.49.

²² Vgl. http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/chem/stoff/so2_1996.htm, 01.04.04.

²³ Vgl. Spektrum der Wissenschaft, April 1994, Sulfat-Aerosole und Klimawandel, S.49.

²⁴ Vgl. Walter Roedel, Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre, 1992, S.370.