Neuartige extrem reaktive Substanz in der Atmosphäre entdeckt

Erstmals wurde eine völlig neue Klasse von superreaktiven chemischen Verbindungen unter atmosphärischen Bedingungen entdeckt. Forscher der Universität Kopenhagen haben in enger Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen die Bildung von sogenannten Trioxiden dokumentiert – einer extrem oxidierenden chemischen Verbindung, die wahrscheinlich sowohl die menschliche Gesundheit als auch unser globales Klima beeinträchtigt.

Wasserstoffperoxid ist eine allgemein bekannte chemische Verbindung. Alle Peroxide haben zwei Sauerstoffatome, die aneinander gebunden sind, was sie hochreaktiv und oft brennbar und explosiv macht. Sie werden für alles verwendet, vom Aufhellen von Zähnen und Haaren bis zum Reinigen von Wunden und sogar als Raketentreibstoff. Aber auch in der Atmosphäre kommen Peroxide vor.

In den letzten Jahren wurde darüber spekuliert, ob Trioxide – chemische Verbindungen mit drei aneinander gebundenen Sauerstoffatomen und damit noch reaktiver als die Peroxide – auch in der Atmosphäre vorkommen. Aber bisher wurde es nie eindeutig bewiesen.

„Das haben wir jetzt erreicht“, sagt Professor Henrik Grum Kjærgaard vom Fachbereich Chemie der Universität Kopenhagen. Kjærgaard ist der leitende Autor der Studie, die gerade in veröffentlicht wurde Wissenschaft. „Die Art der Verbindungen, die wir entdeckt haben, ist einzigartig in ihrer Struktur. Und weil sie extrem oxidierend sind, bringen sie höchstwahrscheinlich eine Vielzahl von Effekten mit sich, die wir noch aufdecken müssen.“

Hydrotrioxide (ROOOH), wie sie genannt werden, sind eine völlig neue Klasse chemischer Verbindungen. Forscher der Universität Kopenhagen (UCPH) haben zusammen mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) und des California Institute of Technology (Caltech) gezeigt, dass diese Verbindungen unter atmosphärischen Bedingungen gebildet werden.

Die Forscher haben auch gezeigt, dass Hydrotrioxide während der atmosphärischen Zersetzung mehrerer bekannter und weit verbreiteter Substanzen, darunter Isopren und Dimethylsulfid, gebildet werden.

„Es ist ziemlich bedeutsam, dass wir jetzt durch direkte Beobachtung zeigen können, dass sich diese Verbindungen tatsächlich in der Atmosphäre bilden, dass sie überraschend stabil sind und dass sie aus fast allen chemischen Verbindungen gebildet werden. Alle Spekulationen müssen jetzt ein Ende haben“, sagt er Jing Chen, ein Ph.D. Student am Fachbereich Chemie und Zweitautor der Studie.

Hydrotrioxide werden in einer Reaktion zwischen zwei Arten von Radikalen gebildet. Die Forscher gehen davon aus, dass fast alle chemischen Verbindungen in der Atmosphäre Hydrotrioxide bilden und schätzen ihre Lebensdauer auf Minuten bis Stunden. Dadurch sind sie stabil genug, um mit vielen anderen atmosphärischen Verbindungen zu reagieren.

Vermutlich in Aerosole aufgenommen

Das Forscherteam glaubt auch, dass die Trioxide in der Lage sind, in winzige luftgetragene Partikel, sogenannte Aerosole, einzudringen, die eine Gesundheitsgefahr darstellen und zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können.

„Sie werden höchstwahrscheinlich in Aerosole gelangen, wo sie neue Verbindungen mit neuen Wirkungen bilden. Es ist leicht vorstellbar, dass in den Aerosolen neue Substanzen gebildet werden, die beim Einatmen schädlich sind. Aber weitere Untersuchungen sind erforderlich, um diese potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen anzugehen.“ sagt Henrik Grum Kjærgaard.

Aerosole haben zwar auch einen Einfluss auf das Klima, gehören aber zu den Dingen, die in Klimamodellen am schwierigsten zu beschreiben sind. Und laut den Forschern besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Hydrotrioxide einen Einfluss darauf haben, wie viele Aerosole produziert werden.

„Da Sonnenlicht von Aerosolen sowohl reflektiert als auch absorbiert wird, wirkt sich dies auf den Wärmehaushalt der Erde aus – also auf das Verhältnis von Sonnenlicht, das die Erde absorbiert und in den Weltraum zurücksendet. Wenn Aerosole Substanzen absorbieren, wachsen sie und tragen zur Wolkenbildung bei, was sich auf die Erde auswirkt auch das Klima“, sagt Co-Autor und Ph.D. Studentin, Eva R. Kjærgaard.

Die Wirkung der Verbindung muss weiter untersucht werden

Die Forscher hoffen, dass die Entdeckung von Hydrotrioxiden uns helfen wird, mehr über die Auswirkungen der von uns emittierten Chemikalien zu erfahren.

„Die meisten menschlichen Aktivitäten führen zur Emission chemischer Substanzen in die Atmosphäre. Daher ist die Kenntnis der Reaktionen, die die Atmosphärenchemie bestimmen, wichtig, wenn wir vorhersagen können, wie sich unsere Handlungen in Zukunft auf die Atmosphäre auswirken werden“, sagt Co-Autor und Postdoc, Kristan H. Møller.

Weder er noch Henrik Grum Kjærgaard sind jedoch besorgt über die neue Entdeckung: „Diese Verbindungen gab es schon immer – wir wussten nur nichts von ihnen. Aber die Tatsache, dass wir jetzt Beweise dafür haben, dass die Verbindungen gebildet werden und für eine gewisse Zeit leben Zeitaufwand bedeutet, dass es möglich ist, ihre Wirkung gezielter zu untersuchen und zu reagieren, wenn sie sich als gefährlich herausstellen“, sagt Henrik Grum Kjærgaard.

„Die Entdeckung deutet darauf hin, dass es noch viele andere Dinge in der Luft geben könnte, von denen wir noch nichts wissen. Tatsächlich ist die uns umgebende Luft ein riesiges Gewirr komplexer chemischer Reaktionen. Als Forscher müssen wir offen dafür sein wir wollen besser darin werden, Lösungen zu finden“, schließt Jing Chen.