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Warum wachsen Nanopartikel in der Atmosphäre oft ähnlich schnell?
Wachstum mit eingebautem Puffer: Atmosphärische Nanopartikel legen unter sehr verschiedenen Bedingungen oft nur etwa ein bis zehn Nanometer pro Stunde zu. Ein neues Mehrschichtmodell erklärt diesen erstaunlich engen Bereich durch gegenläufige Temperatureffekte auf organische Dämpfe und die Teilchen selbst. Die Ergebnisse bringen zuvor schwer vereinbare Feld- und Labordaten zusammen.
Mainz (Deutschland). Winzige Aerosolpartikel entstehen fortlaufend in der Atmosphäre. Damit sie länger erhalten bleiben und schließlich als Keime für Wolkentröpfchen relevant werden können, müssen die zunächst nur wenige Nanometer großen Teilchen wachsen. Doch genau dieses Wachstum gab Forschern Rätsel auf: Die Konzentration geeigneter organischer Dämpfe kann sich um mehrere Größenordnungen unterscheiden, während die beobachteten Wachstumsraten vergleichsweise ähnlich bleiben.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) um Dr. Thomas Berkemeier haben nun untersucht, wie dieser scheinbare Widerspruch zustande kommen kann. Dafür analysierte das Team vorhandene Feldmessungen aus dem borealen Wald bei Hyytiälä in Finnland und Daten aus der CLOUD-Kammer am CERN neu. Zum Einsatz kam das kinetische Mehrschichtmodell der Multiphasenchemie KM3C, das Stofftransport und Reaktionen zwischen Gasphase, Partikeloberfläche und Partikelinnerem getrennt beschreibt.
Entscheidend ist demnach, dass organische Moleküle nicht unter allen Bedingungen sofort gleichmäßig in einem Nanopartikel verteilt werden. Im Sommer ließ sich das Wachstum der Waldpartikel nur dann gut reproduzieren, wenn das Modell eine extrem geringe Diffusivität annahm. Die Teilchen verhalten sich in diesem Szenario hochviskos und nahezu glasartig. Im Frühjahr passen die Daten dagegen zu flüssigeren, gut durchmischten Partikeln mit deutlich schnellerem Stofftransport.
„Unser Modell berücksichtigt die Reaktivität, die Diffusivität und die Konzentrationsgradienten verschiedener chemischer Spezies in der Gasphase, der kondensierten Phase und an der Grenzfläche“, erklärt Zhiqiang Zhang vom MPIC.
Bei geringer Diffusivität gelangen kondensierende Moleküle nur langsam von der Oberfläche ins Partikelinnere. Dadurch reichern sich vergleichsweise flüchtige Verbindungen an der Oberfläche an und die Aufnahme weiterer Dämpfe wird gebremst. Die Studie zeigt damit, warum eine hohe Dampfkonzentration nicht automatisch ein entsprechend schnelles Partikelwachstum erzeugen muss.
Gleichzeitig verändert die Temperatur, welche organischen Verbindungen überhaupt kondensieren können. Bei niedrigen Temperaturen sinkt ihre Flüchtigkeit. Dann tragen auch vergleichsweise flüchtige Moleküle zum Wachstum bei und die Partikel können eher flüssig und gut durchmischt bleiben. Höhere Temperaturen fördern zwar die Bildung und Konzentration organischer Dämpfe, erhöhen aber zugleich deren Flüchtigkeit. Unter den modellierten Bedingungen kondensieren dann vor allem sehr schwer flüchtige Stoffe, die eher feste oder halbfeste Partikel mit langsamer Diffusion bilden.
Diese gegenläufigen Effekte schwächen die direkte Abhängigkeit von der gemessenen Dampfkonzentration ab. In den zusammengeführten Feld- und Labordaten variierten die Konzentrationen oxidierter organischer Moleküle über rund drei Größenordnungen. Die Wachstumsraten blieben dagegen überwiegend im Bereich von etwa ein bis zehn Nanometern pro Stunde. Das Modell bildet diese Abflachung nach, wenn es sowohl temperaturabhängige Flüchtigkeit als auch die Diffusivität im Partikel berücksichtigt.
Auch die Labordaten aus der CLOUD-Kammer stützen dieses Bild. Frühere Ansätze trafen die gemessenen Wachstumsraten bei einzelnen Temperaturen, verfehlten aber andere Versuchsbedingungen. KM3C kann die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit über einen breiteren Bereich reproduzieren, wenn neben sehr schwer flüchtigen Verbindungen auch weitere organische Dämpfe erfasst werden.
Die Arbeit ist vor allem eine Modell- und Reanalyse vorhandener Messdaten. Sie belegt daher nicht, dass