Lichtverstärkung beschleunigt chemische Reaktionen in Aerosolen

Aerosole in der Atmosphäre reagieren auf einfallendes Sonnenlicht. Dieses Licht wird im Inneren der Aerosoltröpfchen und -partikel verstärkt und beschleunigt Reaktionen. ETH-Forschende konnten diesen Effekt nun nachweisen und quantifizieren und empfehlen, ihn in zukünftigen Klimamodellen zu berücksichtigen.

Flüssigkeitströpfchen und sehr feine Partikel können Licht einfangen – ähnlich wie Licht zwischen zwei Spiegeln eingefangen werden kann. Dadurch wird die Intensität des Lichts in ihnen verstärkt. Dies geschieht auch in sehr feinen Wassertröpfchen und festen Partikeln in unserer Atmosphäre, also Aerosolen. Chemiker der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben mit moderner Röntgenmikroskopie untersucht, wie sich die Lichtverstärkung auf photochemische Prozesse auswirkt, die in den Aerosolen ablaufen. Sie konnten zeigen, dass diese chemischen Prozesse durch Lichtverstärkung im Durchschnitt zwei- bis dreimal schneller ablaufen als ohne diesen Effekt.

An der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am PSI untersuchten die Forschenden Aerosole, die aus winzigen Partikeln von Eisen(III)-Citrat bestehen. Lichteinwirkung reduziert diese Verbindung zu Eisen(II)-citrat. Mittels Röntgenmikroskopie lassen sich Bereiche innerhalb der Aerosolpartikel aus Eisen(III)-Citrat von denen aus Eisen(II)-Citrat bis auf 25 Nanometer genau unterscheiden. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den zeitlichen Ablauf dieser photochemischen Reaktion in einzelnen Aerosolpartikeln hochauflösend beobachten und kartieren.

Verfall bei Lichteinwirkung

«Eisen(III)-Citrat war für uns eine repräsentative Verbindung, die sich mit unserer Methode gut untersuchen ließ», sagt Pablo Corral Arroyo, Postdoc in der Gruppe von ETH-Professorin Ruth Signorell und Erstautor der Studie. Eisen(III)-citrat steht stellvertretend für eine ganze Reihe weiterer chemischer Verbindungen, die in den Aerosolen der Atmosphäre vorkommen können. Viele organische und anorganische Verbindungen sind lichtempfindlich, und wenn sie Licht ausgesetzt werden, können sie in kleinere Moleküle zerfallen, die gasförmig sein können und daher entweichen. „Auf diese Weise verlieren die Aerosolpartikel an Masse und verändern ihre Eigenschaften“, erklärt Signorell. Unter anderem streuen sie das Sonnenlicht unterschiedlich, was Wetter- und Klimaphänomene beeinflusst. Außerdem ändern sich ihre Eigenschaften als Kondensationskeime bei der Wolkenbildung.

Damit wirken sich die Ergebnisse auch auf die Klimaforschung aus. «Aktuelle Computermodelle der globalen Atmosphärenchemie berücksichtigen diesen Lichtverstärkungseffekt noch nicht», sagt ETH-Professor Signorell. Die Forscher schlagen vor, den Effekt künftig in diese Modelle einzubeziehen.

Ungleichmäßige Reaktionszeiten in den Partikeln

Die nun genau abgebildete und quantifizierte Lichtverstärkung in den Partikeln kommt durch Resonanzeffekte zustande. Die Lichtintensität ist auf der Seite des Teilchens am größten, die derjenigen gegenüberliegt, auf die das Licht scheint. „In diesem Hotspot laufen photochemische Reaktionen bis zu zehnmal schneller ab als ohne den Resonanzeffekt“, sagt Corral Arroyo. Über das gesamte Teilchen gemittelt ergibt sich eine Beschleunigung um den oben genannten Faktor zwei bis drei. Photochemische Reaktionen in der Atmosphäre dauern normalerweise mehrere Stunden oder sogar Tage.

Anhand der Daten aus ihrem Experiment konnten die Forscher ein Computermodell erstellen, um die Wirkung typischer Aerosole in der Atmosphäre auf eine Reihe anderer photochemischer Reaktionen abzuschätzen. Es stellte sich heraus, dass der Effekt nicht nur Eisen(III)-Citrat-Partikel betrifft, sondern alle Aerosole – Partikel oder Tröpfchen – aus Verbindungen, die mit Licht reagieren können. Und auch diese Reaktionen sind im Durchschnitt zwei- bis dreimal schneller.

Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaft.