Wie Aerosole entstehen

Aerosole sind feinverteilte Tr?pfchen oder feste Partikel in einem Gas. Wolken beispielsweise sind in der Luft verteilte Wassertr?pfchen und damit ein Aerosol. Die Bildung solcher Tr?pfchen l?uft in zwei Schritten ab: Zun?chst bildet sich ein sogenannter Kondensationskeim. In einem zweiten Schritt kondensieren daran fl¨¹chtige Molek¨¹le und bilden ein Tr?pfchen. Kondensationskeime bestehen h?ufig aus anderen Molek¨¹len als jene, die anschliessend daran kondensieren. Im Fall von Wolken beinhalten die Kondensationskeime oft Schwefels?ure und organische Substanzen. An diesen Keimen kondensiert anschliessend Wasserdampf aus der Atmosph?re.

Wissenschaftler unter der Leitung von Ruth Signorell, Professorin am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften, haben nun neue Erkenntnisse gewonnen ¨¹ber den ersten Schritt der Aerosolbildung, dem Prozess der Keimbildung (Nukleation). ?Beobachtungen haben gezeigt, dass auch die fl¨¹chtigen Komponenten den Nukleationsprozess beinflussen k?nnen?, erkl?rt Signorell. ?Unklar war hingegen, wie dieser Mechanismus auf molekularem Niveau verstanden werden kann.? Denn es war bisher gar nicht m?glich, die fl¨¹chtigen Komponenten w?hrend der Keimbildung experimentell zu beobachten. Selbst in einem ber¨¹hmten Experiment zur Wolkenbildung am Cern, dem ?Cloud?-Experiment, konnten bestimmte fl¨¹chtige Bestandteile nicht direkt nachgewiesen werden.

Fl¨¹chtige Komponente erstmals nachgewiesen

Die ETH-Forschenden entwickelten ein Experiment, um die ersten Mikrosekunden des Nukleationsprozesses zu untersuchen. Die dabei gebildeten Partikel bleiben im Experiment w?hrend dieser Zeit unversehrt und k?nnen mittels Massenspektrometrie detektiert werden. Im Experiment untersucht haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nukleation in verschiedenen CO₂-haltigen Gasmischungen. Zum ersten Mal konnten sie dabei auch die fl¨¹chtige Komponente nachweisen. Dabei handelte es sich im Experiment um CO₂. So konnten die Forschenden aufzeigen, dass die fl¨¹chtige Komponente f¨¹r die Bildung von Nukleationskeimen einerseits essenziell ist und andererseits diesen Vorgang beschleunigt.

Wie eine Analyse der experimentellen Daten nahelegt, ist diese Beschleunigung darauf zur¨¹ckzuf¨¹hren, dass die fl¨¹chtigen Komponenten die Nukleation der weniger fl¨¹chtigen Komponenten katalysieren. Dies tun sie durch die Bildung von kurzlebigen, gemischten Molek¨¹laggregaten, sogenannten Begleiterkomplexen. ?Da die Fl¨¹chtigkeit von Gaskomponenten temperaturabh?ngig ist, spielt auch die Temperatur bei diesen Prozessen eine grosse Rolle?, erkl?rt Signorell.

Interessant sind die neuen Forschungsresultate unter anderem, um damit die Nukleation, ihre molekularen Mechanismen und Geschwindigkeit besser zu verstehen und auch in Modellen erfassen zu k?nnen ¨C beispielsweise bei der Wolkenbildung in der Erdatmosph?re. Ausserdem d¨¹rften die Ergebnisse helfen, die technische Bildung von Aerosolen effizienter zu gestalten. Ein Beispiel hierf¨¹r ist die CO₂-Abscheidung bei der Erdgasaufbereitung mittels schneller K¨¹hlung.