Lichtverstärkung beschleunigt chemische Reaktionen in Aerosolen |
Aerosole in der Atmosphäre reagieren unter Sonnenlichteinstrahlung. Im Innern der Aerosol-Tröpfchen und - Partikel wird das Licht verstärkt, was die Reaktionen beschleunigt, wie ETH-Forschende nun zeigen und beziffern konnten. Die Wissenschaftler:innen raten, den Effekt in künftigen Klimamodellen zu berücksichtigen.
Tröpfchen und feinste Partikel können Licht einfangen, ähnlich wie das
zwischen zwei Spiegeln geschieht. Die Lichtintensität wird dadurch in
ihrem Innern verstärkt. Dies passiert auch in den feinsten
Wassertröpfchen und Feststoffpartikeln unserer Atmosphäre, den
Aerosolen. Chemikerinnen und Chemiker der ETH Zürich und des
Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen haben nun mithilfe moderner
Röntgenmikroskopie untersucht, wie sich die Lichtverstärkung auf
photochemische Prozesse auswirkt, die in den Aerosolen ablaufen. Die
Forschenden konnten damit zeigen: Die Lichtverstärkung lässt diese
chemischen Prozesse im Schnitt zwei- bis dreimal schneller ablaufen als
es ohne den Verstärkungseffekt der Fall wäre.
Die Forschenden
untersuchten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am PSI Aerosole aus
winzigen Partikeln aus Eisen(III)-Zitrat. Diese Verbindung reagiert
unter Lichteinfluss zu Eisen(II)-Zitrat. Mittels Röntgenmikroskopie
lassen sich innerhalb der Aerosolpartikel mit einer Präzision von 25
Nanometern Bereiche aus Eisen(III)-Zitrat von solchen aus
Eisen(II)-Zitrat unterscheiden. Auf diese Weise konnten die
Wissenschaftler:innen den zeitlichen Ablauf dieser photochemischen
Reaktion in einzelnen Aerosolpartikeln hochauflösend beobachten und
kartieren. Zerfall unter Lichteinfluss
«Eisen(III)-Zitrat war
für uns eine Stellvertreter-Verbindung, die sich mit unserer Methode
einfach untersuchen liess», sagt Pablo Corral Arroyo. Er ist Postdoc in
der Gruppe von ETH-?Professorin Ruth Signorell und Erstautor der Studie.
Eisen(III)-Zitrat steht für eine ganze Reihe von weiteren chemischen
Verbindungen, die in den Aerosolen der Atmosphäre vorkommen können.
Viele organische und anorganisch Verbindungen sind lichtempfindlich und
können bei Lichteinfall zu kleineren Molekülen zerfallen, die gasförmig
sein können und somit entweichen. «Die Aerosolpartikel verlieren auf
diese Weise an Masse, was ihre Eigenschaften verändert», erklärt
Signorell. Unter anderem streuen sie Sonnenlicht anders, was Wetter- und
Klimaphänomene beeinflusst. Ausserdem verändern sich ihre Eigenschaften
als Kondensationskeime in der Wolkenbildung.
Die Ergebnisse
wirken sich daher auch auf die Klimaforschung aus. «Die derzeitigen
Computermodelle der globalen Atmosphärenchemie berücksichtigen diesen
Lichtverstärkungseffekt noch nicht», sagt ETH-Professorin Signorell. Die
Forschenden schlagen vor, den Effekt künftig in diese Modelle
miteinzubeziehen. Ungleichmässige Reaktionszeiten in den Partikeln
Die
nun genau kartierte und quantifizierte Lichtverstärkung in den
Partikeln kommt durch Resonanzeffekte zustande. Am höchsten ist die
Lichtintensität gegenüber der vom Licht bestrahlten Seite des Partikels.
«In diesem Hotspot laufen photochemische Reaktionen bis zu zehnmal
schneller ab, als es ohne den Resonanzeffekt der Fall wäre», sagt Corral
Arroyo. Über das ganze Partikel gemittelt resultiert eine
Beschleunigung um den erwähnten Faktor zwei bis drei. Üblicherweise
dauern photochemische Reaktionen in der Atmosphäre mehrere Stunden bis
Tage.
Mithilfe der experimentell erhobenen Daten konnten die
Forschenden ein Computermodell erstellen, um den Effekt auf eine Reihe
anderer photochemischer Reaktionen typischer Aerosole in der Atmosphäre
abzuschätzen. Es stellte sich heraus, dass der nun bezifferte Effekt
nicht nur Eisen(III)-Zitrat-Partikel betrifft, sondern alle Aerosole –
Partikel oder Tröpfchen – aus Verbindungen, die mit Licht reagieren
können. Auch die anderen Reaktionen laufen im Schnitt zwei- bis dreimal
schneller ab. Literaturhinweis
Den Artikel finden Sie unter:
https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/04/lichtverstaerkung-beschleunigt-chemische-reaktionen-in-aerosolen.html
Quelle: ETH Zürich (04/2022)
Publikation: Corral
Arroyo P, David G, Alpert PA, Parmentier EA, Ammann M, Signorell R:
Amplification of light within aerosol particles accelerates in-?particle
photochemistry, Science, 14. April 2022, doi:
10.1126/science.abm7915call_made https://doi.org/10.1126/science.abm7915 |