Naumann, K.H.

Saathoff, H.

Schnaiter, M.

Wagner, R.

Naumann, K. H.

KITopen

Jährlich werden weltweit durchnatürliche oder anthropogeneVerbrennungsprozesse ca. 12-14Millionen Tonnen Kohlenstoff alsBestandteil fester Partikel in dieAtmosphäre emittiert, überwie-gend in Form von Ruß. Währenddie meisten Aerosolkomponentendie Atmosphäre abkühlen, indemsie die Reflektivität der Erde er-höhen, tragen rußhaltige Partikelals starke Absorber von Sonnen-licht zu deren Aufheizung bei. DerAnteil von luftgetragenem Ruß ander globalen Erwärmung könntenach neuesten Abschätzungensubstantiell sein und wird mögli-cherweise nur noch von Kohlendi-oxid übertroffen [1]. Großangeleg-te internationale Feldmesskam-pagnen wie das Indian Ocean Ex-periment [2] oder die Mediterra-nian Intensive Oxidant Study [3]sowie neuere Modellrechnungen[4, 5] deuten darauf hin, dassRußemissionen in dramatischerWeise das regionale Klima verän-dern können. So scheinen bei-spielsweise die in den letzten 20Jahren verstärkt auftretenden Tro-ckenperioden im Nordosten Chi-nas und die sommerlichen Über-flutungen im Südosten des Lan-des auf eine durch erhöhtenRußausstoß im südlichen Asienbedingte Störung des regionalenhydrologischen Zyklus zurückzu-führen zu sein. Als Folge ihrer at-mosphärischen Verweilzeit vonbis zu 10 Tagen können lokal emit-tierte Rußpartikel jedoch auchweiträumig transportiert und somitglobal klimawirksam werden. ImKioto-Protokoll von 1997 noch un-berücksichtigt, wird deshalb eineweltweite Reduktion der Ruß-emissionen aus Biomassever-brennung, Industrie und Verkehrals nach gegenwärtigem Kennt-nisstand potentiell aussichtsreich-ste Maßnahme zur Verlangsa-mung der globalen Erwärmungdiskutiert [5], die zugleich mit ei-ner Verminderung der durch dieInhalation von Rußpartikeln be-dingten gesundheitlichen Risikeneinherginge. Wie die Erfahrung zeigt, bedarf eszur Durchsetzung wirksamer Kli-maschutzmaßnahmen eines brei-ten politischen Konsens. Die not-wendige Akzeptanz kann aber nurüber wissenschaftlich solide,glaubwürdige Prognosen undüberzeugende Konzepte auf derBasis realitätsnaher, umfassendvalidierter regionaler und globalerKlimamodelle erreicht werden. Ei-ne detaillierte Beschreibung desEinflusses von Aerosolen auf dasKlima ist in diesem Zusammen-hang unerlässlich. Angesichts un-seres noch immer begrenztenWissens um die dynamischen,chemischen und optischen Eigen-schaften komplexer atmosphäri-scher Aerosolsysteme wird dieserAnspruch von der gegenwärtigenGeneration von Modellen jedochnur unzureichend erfüllt. Insbe-sondere den rußhaltigen Aeroso-len wird deshalb gegenwärtig einehohe wissenschaftliche Prioritätzugemessen. Vor diesem Hinter-grund fanden Ende 1999 und An-fang 2002 an der AIDA-Versuchs-anlage (AIDA: Aerosol Interac-tions and Dynamics in the Atmo-sphere) des IMK zwei umfangrei-che Messkampagnen unter Betei-ligung nationaler und internatio-naler Partner statt, die der Unter-suchung der strukturellen, dyna-mischen und optischen Eigen-schaften von reinem Rußaerosol,Mischungen von Ruß- und Salz-partikeln sowie mit Sulfat und or-ganischem Material beschichtetenRußpartikeln gewidmet waren.Weiterhin wurden in den vergan-genen Jahren heterogene chemi-sche Wechselwirkungen reaktiverSpurengase  mir Rußaerosol in-tensiv studiert, um deren in der Li-teratur postulierten Einfluss auf dieatmosphärische Chemie zu quan-tifizieren. Diese Aktivitäten wurdenvon fortlaufenden Laboruntersu-chungen, theoretischen Arbeitenund Modellentwicklungen beglei-tet, ohne die ein umfassendes Ver-ständnis der in der AIDA-Kammerablaufenden Prozesse und dieÜbertragung der gewonnenen Re-sultate in Klimamodelle nicht mög-lich wäre. Anhand dreier ausge-wählter Schwerpunkte soll dieserArtikel einen Einblick in die Arbei-ten zur Rußaerosolthematik ver-mitteln, die seit der Inbetriebnah-me von AIDA im Mai 1997 im Rahmen der Verbundprojekte EUROTRAC II und BMBF-AFSdurchgeführt wurden.Frisch entstandene Rußpartikelsind häufig Agglomerate aus Kü-gelchen von 5-50 nm Durchmes-ser, die eine sehr lockere, ver-zweigte Struktur und damit einewesentlich größere Oberfläche alsmassengleiche kompakte Speziesbesitzen (Abb. 1). Ihre Aerosol-dynamik unterscheidet sich we-sentlich von der kompakter Ku-geln. So ist die Sinkgeschwindig-keit erheblich geringer und damitdie atmosphärische Verweilzeitentsprechend höher, währendTransport von reaktiven Spuren-gasen zur Oberfläche und Wachs-Das AerosolmodellCOSIMAEinleitung79(79)Klimawirksamkeit und Chemie atmosphärischerRußaerosole – Untersuchungen in der AIDA-AnlageK.-H. Naumann, H. Saathoff, M. Schnaiter, R. Wagner, IMKNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 35  1-2/2003  S. 79-83tum durch Koagulation stark be-schleunigt sind. Um diese Effekteadäquat zu erfassen, wurde dasComputersimulationsprogrammCOSIMA entwickelt und anhandvon AIDA-Experimenten verifi-ziert. Es beschreibt die Dynamik ir-regulär strukturierter Agglomeratemit den Mitteln der statistischenMechanik auf der Basis fraktalerSkalengesetze. Der zentrale As-pekt dieses Konzeptes ist einfachzu verstehen. Bei homogenen ku-gelförmigen Teilchen hängenGrößen wie Masse, Oberflächeoder Stoßquerschnitt von ganz-zahligen Potenzen des Durch-messers ab. So ist beispielsweisedie Masse proportional zur drit-ten Potenz des Durchmessers,m ~ d3. Für in Verbrennungspro-zessen entstandene Agglomeratefindet man jedoch häufig m ~ dDmit 1 ≤ D ≤ 3, wobei D keineswegsganzzahlig sein muss. Bei Vorlie-gen selbstähnlicher Strukturennennt man D die fraktale Dimen-sion. Skalenbeziehungen in Po-tenzen von D korrelieren danngeometrische, dynamische undoptische Kenngrößen. Durch Ver-gleich simulierter und gemessenerZeitverläufe für Massen- und An-zahlkonzentration sowie der Grö-ßenverteilung des jeweiligen Ae-rosols wurde D zu 1.9 ± 0.2  fürDieselruß und zu 2.0 ± 0.1 für Graphitfunkenruß, den man we-gen seiner hervorragenden Re-produzierbarkeit in vielen Laborsals Modellruß verwendet, be-stimmt. Über die Beschreibung derAerosoldynamik hinaus ist D auchein zentraler Parameter für die Be-rechnung der Extinktion und desStreuvermögens von Agglomerat-partikeln und damit ihres Einflus-ses auf die Strahlungsbilanz derAtmosphäre.In zahlreichen Laborstudien wur-de gezeigt, dass heterogene Um-setzungen von reaktiven Spuren-gasen an der großen Oberflächefrischer Rußpartikel zunächstsehr effizient ablaufen können.Extrapoliert man diese anfängli-chen Umsatzraten auf das atmo-sphärische Langzeitverhalten, sosagen Modellrechnungen einensignifikanten Rußeffekt auf dieChemie der Troposphäre und derStratosphäre voraus, der sichhauptsächlich in direkten Ozon-verlusten sowie in einer Verschie-bung des Budgets stickstoffhalti-ger Spurengase durch Reduktionvon Stickstoffdioxid und Salpeter-säure manifestiert. Dieser Befunderregte großes Interesse, da sodie Resultate von Chemie-Trans-port-Modellen in wesentlich bes-sere Übereinstimmung mit den Er-gebnissen von Feldmessungengebracht werden konnten. Jedochsind solche Extrapolationen mitgroßen Unsicherheiten behaftet,da die atmosphärische Verweilzeitder Rußpartikel lang genug ist, umchemische und physikalische Al-terungsprozesse wirksam werdenzu lassen, die zu einer Passivie-rung der Oberfläche führen könn-ten. Daher erschien es wün-schenswert, die Hypothese einesdirekten Rußeffektes auf die At-mosphärenchemie experimentellund theoretisch zu überprüfen.In der großvolumigen AIDA-Kam-mer, deren grundlegende techni-sche Ausstattung in [6] beschrie-ben ist, konnten erstmals dieWechselwirkungen von O3, NO2,NO3, N2O5, HO2/HNO4 und HNO3Wechselwirkung von Ruß mit reaktivenSpurengasen80(80)Abb. 1: Struktur frisch emittierter und gealterter Graphitfunken-ruß-Partikel. Die durch Beschichtung induzierte Kompaktierungist in den elektronenmikroskopischen Aufnahmen deutlich er-kennbar und kann anhand der Verschiebung der gemessenenGrößenverteilung quantifiziert werden.90 00080 00070 00060 00050 00040 00030 00020 00010 0000100 1000Mobilitätsdurchmesser Dme [nm]DN/dlogD me [cm–3]mit luftgetragenem Ruß über at-mosphärisch relevante Zeiträumevon bis zu 7 Tagen untersucht wer-den. Abb. 2 zeigt den Verlauf einestypischen Experiments, welchesmit einer Mischung von Ozon undStickstoffdioxid gestartet wurde.Anhand der Zeitverläufe der Spu-rengaskonzentrationen in Abwe-senheit von Ruß werden zunächstdie Wandverlustraten bestimmtund das Modell der homogenenGasphasenchemie überprüft. MitHilfe von COSIMA können dannaus gemessenen Konzentrations-Zeitverläufen in Gegenwart vonRuß Reaktionswahrscheinlichkei-ten abgeleitet werden, die ein Maßfür den reaktiven Anteil der Stößeeines Spurengases mit der Parti-keloberfläche darstellen. Im Falledes Abbaus von Ozon zeigte sichso, dass nur ein Monolagenäqui-valent schnell umgesetzt werdenkann. Danach sinkt die Reakti-onswahrscheinlichkeit auf densehr niedrigen Wert von 10-6. Miteiner Zeitkonstante von 12 Stun-den erfolgt schließlich einevollständige Passivierung derRußoberfläche [7]. Für alle unter-suchten Spezies konnte gezeigtwerden, dass die atmosphärischrelevanten Langzeit-Reaktions-wahrscheinlichkeiten tatsächlichum 2 bis 4 Größenordnungen un-ter den für frischen Ruß bestimm-ten Initialwerten liegen [7, 8]. Aufder Basis dieser Befunde durch-geführte Computersimulationenbelegen nunmehr, dass, vonSzenarien extremer Luftver-schmutzung abgesehen, der Ab-bau von Spurengasen an Ruß-aerosol für die Chemie der Atmo-sphäre praktisch bedeutungslos ist [8]. Wenngleich heterogene chemi-sche Prozesse an der Oberflächevon Ruß unbedeutend für die At-mosphärenchemie sind, erhöhensie gleichwohl die Benetzbarkeitder Partikel und damit deren Po-tenzial, als Kondensationskeimefür Wolkentröpfchen zu agieren.Verteilt sich eine vorgegebeneWassermenge auf eine größereZahl von Tröpfchen, so erhöht sichdas Rückstreuvermögen der Wol-ke, während ihre Fähigkeit zumAusregnen abnimmt. Anderer-seits können Rußpartikel in hoherKonzentration ihre Umgebungdurch Lichtabsorption soweit auf-heizen, dass Wolken verdampfenund mehr Strahlung zur Erde ge-langt. Durch Inkorporation inTröpfchen, aber auch durch Be-schichtung mit Ammoniumsulfat, -nitrat oder mit schwerflüchtigenorganischen Substanzen kannsich das Absorptionsvermögender Rußkerne vervielfachen.Gleichzeitig nehmen die Partikeleine kompaktere Form an (s. Abb.1), wodurch sich ihre atmosphäri-sche Verweilzeit verkürzt. Dieseskomplexe nichtlineare Systemvon Aerosolprozessen und seinEinfluss auf das Klima ist alleindurch Feldstudien und Fernerkun-dungsmethoden nicht aufzu-klären. Hier können realitätsnah angelegte Aerosolkammerunter-Einfluss von atmo-sphärischen Alterungs-prozessen auf Struktur und optische Eigenschaften vonRußpartikeln81(81)Abb. 2: Vergleich gemessener Zeitverläufe der Konzentrationenreaktiver Spurengase (ohne Ruß: offene Symbole; mit Ruß: ge-füllte Symbole) mit dem Ergebnis der COSIMA-Modellrechnung(Linien).02004006008000246Konzentrationen [ppb]0 2 4 6 8 10 12Zeit [h] O3 NO2 N2O5 HNO3 Modell  NO3 NO3 Modell  suchungen, die im Gegensatz zuFeldmessungen unter wohldefi-nierten Bedingungen durchge-führt werden, kombiniert mit La-borexperimenten und Modellstu-dien einen wertvollen Beitrag zurVerbesserung der Prognostizier-barkeit des Aerosoleinflusses aufdas Klima leisten. Zur Untersuchung der optischenAerosoleigenschaften kommen inder AIDA-Anlage neben kommer-zieller Messtechnik auch Eigen-entwicklungen zum Einsatz. AlsBeispiel sei in Abb. 3 der Aufbaueiner Extinktionszelle veran-schaulicht, mit der die Extinktions-spektren luftgetragener Partikelim Wellenlängenbereich zwi-schen 200 und 1000 nm vermes-sen und durch Modifikation derPartikelstruktur oder der chemi-schen Zusammensetzung indu-zierte Veränderungen empfindlichdetektiert werden können. Abb. 4zeigt den zeitlichen Verlauf desExtinktionskoeffizienten von Gra-phitfunkenruß während eines Al-terungsexperimentes, in dem diePartikel in mehreren Stufen in situmit schwerflüchtigen Ozonolyse-82(82)Abb. 3: Schema einer neuartigen Apparatur zur Messung der Extinktionsspektren luftgetragener Partikel.AerosolzelleParabolspiegelSendefaser Empfangsfaser3.5 mFaserendflächen2 x UVMI mit400 µm KernSende-undEmpfangsstrahl am TripelspiegelTripelspiegelDiodenzeilen-spektrometerUV-VISLichtquelleAbb. 4: Zeitliche Veränderung der Extinktion von Graphitfunken-ruß-Aerosol durch wiederholtes Beschichten mit organischemMaterial (blau: 450 nm; grün: 550 nm; rot: 700 nm)1 2 3 4 5Beschichtungsschritt0.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006Extinktionskoeffizient [1/m]0 5 10 15 20 25Experimentzeit [h]produkten des natürlich vorkom-menden Kohlenwasserstoffes α-Pinen beschichtet wurden. DieAusbildung einer neuen Lagelichtstreuenden organischen Ma-terials wird jeweils von einem be-trächtlichen Anstieg der Extinktionbegleitet. Durch Vergleich von Ex-tinktions- und Streulichtmessun-gen erweist sich jedoch, dass sichauch das Absorptionsvermögen inetwa verdoppelt, obwohl die orga-nische Schicht selbst nahezu keinLicht absorbiert. Andererseits wirdbei der Koagulation von Ruß mittrockenen Ammoniumsulfatpar-tikeln, die nicht zur Ausbildunggeschlossener Beschichtungenführt, keine nennenswerte Er-höhung der Lichtabsorption beob-achtet. Diese für die Strahlungsbi-lanz der Atmosphäre bedeutsa-men Zusammenhänge konnten inder AIDA-Kammer erstmals de-tailliert an luftgetragenen Partikelnuntersucht werden. In der Versuchsanlage AIDA desIMK wurden seit 1997 umfassen-de Studien zur Charakterisierungder strukturellen, aerosoldynami-schen und optischen Eigenschaf-ten von luftgetragenem Ruß sowiezur heterogenen Chemie reaktiverSpurengase an der Oberflächevon Rußpartikeln durchgeführt.Unterstützt durch Laborexperi-mente und Simulationsrechnun-gen mit dem Prozessmodell CO-SIMA konnten so vielfältige Er-kenntnisse gewonnen werden, dieeine wissenschaftlich fundiertereBehandlung des Einflusses vonRußaerosol im Rahmen von re-gionalen und globalen Klimasimu-lationen erlauben. Die in der AIDA-Rußkampagne 1999 gemeinsammit nationalen und internationalenPartnern gewonnen Ergebnissewurden in 9 ausführlichen Publi-kationen dokumentiert, die dem-nächst in einer Spezialausgabedes Journal of Aerosol Scienceerscheinen werden.Zusammenfassung83(83)[1] W. L. Chameides, M. Bergin, Science 297, 2214 (2002), und darin zitierte Literatur[2] J. Lelieveld et al., Science 291, 1031 (2001)[3] J. Lelieveld et al., Science 298, 794 (2002)[4] S. Menon, J. Hansen, L. Nazareno, Y. Luo, Science 297, 2250 (2002)[5] M. Z. Jacobson, J. Geophys. Res. 107, 4410 (2002)[6] H. Bunz et al., Nachrichten - ForschungszentrumKarlsruhe 29, 173 (1997), siehe auchhttp://imk-aida.fzk.de/facility/ [7] S. Kamm, O. Möhler, K.-H. Naumann,H. Saathoff, U. Schurath, Atmos. Env. 33, 4651 (1999)[8] H. Saathoff, K.-H. Naumann, N. Riemer, S. Kamm, O. Möhler, U. Schurath, H. Vogel, B. Vogel, Geophys. Research Lett. 28, 1957(2001)Literatur

Klimawirksamkeit und Chemie atmosphärischer Rußaerosole. Untersuchungen in der AIDA-Anlage

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Klimawirksamkeit und Chemie atmosphärischer Rußaerosole. Untersuchungen in der AIDA-Anlage

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