Warum atmosphärische Nanopartikel überall ähnlich schnell wachsen

Aerosole besitzen eine zentrale Bedeutung für Luftqualität, Humangesundheit, Wolkenbildung und Klimadynamik. Die atmosphärische Keimbildung stellt die Partikelanalytik jedoch weiterhin vor offene Fragen. Ein Großteil der Feinstaubfraktion besteht aus sekundären organischen Aerosolen (SOA), die durch die Phasenumwandlung gasförmiger organischer Vorläufermoleküle entstehen. Die kinetischen Wachstumsraten dieser atmosphärischen Nanopartikel wiesen bislang unerklärliche Abweichungen auf: Das beobachtete Wachstum fällt signifikant geringer aus und zeigt eine überraschend schwache Kopplung an die Konzentration kondensierbarer organischer Dämpfe. In natürlichen Systemen wachsen kleinste Aerosolpartikel typischerweise im Bereich von 1 bis 10 Nanometern pro Stunde. Diese Wachstumsrate erweist sich als nahezu invariant gegenüber Schwankungen der Dampfkonzentrationen, selbst wenn diese um mehrere Größenordnungen variieren.

Kinetische Modellierung vereint Feldanalytik und Labordaten

Einem Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) in Mainz gelang nun die mathematisch-kinetische Harmonierung von Feldmessdaten aus dem borealen Nadelwald (Hyytiälä, Finnland) mit komplexen Laborexperimenten der CERN-CLOUD-Kammer. Beide Datensätze standen zuvor im Widerspruch zu etablierten Modellvorhersagen. Mittels eines neu entwickelten kinetischen Mehrschichtmodells der Multiphasenchemie (KM3C) konnte nachgewiesen werden, dass sich die empirischen Wachstumsraten präzise modellieren lassen, sobald die Temperaturabhängigkeit sowie die Multiphasenkinetik der Gas-Partikel-Verteilung vollständig abgebildet werden.

„Unser Modell berücksichtigt die Reaktivität, die Diffusivität und die Konzentrationsgradienten verschiedener chemischer Spezies in der Gasphase, der kondensierten Phase und an der Grenzfläche“, sagt Zhiqiang Zhang, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am MPIC. „Der langsame Transport von der Oberfläche ins Partikelinnere begrenzt die Aufnahme von Dämpfen durch feste oder halbfeste Partikel mit geringer Diffusivität, während niedrige Temperaturen zur Verringerung der Flüchtigkeit der Dämpfe führen und die Wachstumsraten erhöhen.“

Für die Sommermonate reproduziert das KM3C-Modell die Feldmessungen unter Annahme einer Diffusivität, wie sie für hochviskose, glasartige Matrizen charakteristisch ist. Das im Frühjahr beobachtete Wachstum entspricht hingegen dem Verhalten liquider, homogen durchmischter Partikel. Eine eingeschränkte Matrizendiffusion bedingt eine Anreicherung flüchtigerer Verbindungen an der Partikeloberfläche, was den Stofftransport ins Partikelinnere hemmt und die Einstellung des thermodynamischen Phasengleichgewichts verzögert.

Thermodynamische Puffereffekte stabilisieren das Partikelwachstum

Die Untersuchung liefert die mechanistische Erklärung für die Homogenität der Nanopartikel-Wachstumsraten unter diversen Umgebungsbedingungen und deren geringe Sensitivität gegenüber Temperatur- und Konzentrationsschwankungen. „Ob über dem borealen Wald in Finnland oder in einer Megacity wie Peking: neu gebildete Partikel wachsen bemerkenswert ähnlich schnell, obwohl sich die Konzentrationen kondensierbarer Dämpfe um Größenordnungen unterscheiden“, erklärt Thomas Berkemeier, Forschungsgruppenleiter am MPIC und Leitautor der Studie. „Wir haben herausgefunden, dass sich temperaturbedingte Änderungen in der Produktion, Flüchtigkeit und Diffusivität kondensierender organischer Dämpfe weitgehend gegenseitig aufheben und die Geschwindigkeit des Nanopartikelwachstums effektiv puffern.“

Relevanz für Umweltanalytik und Erdsystemforschung

„Wenn neu gebildete Nanopartikel schnell wachsen, können sie groß genug werden, um Wolken zu bilden und so den Wasserkreislauf und die Energiebilanz der Erde zu beeinflussen. Ob das geschieht, hängt von den Wachstumsraten ab“, sagt Ulrich Pöschl, Koautor und Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie. „Unsere Ergebnisse verbessern das Verständnis und die Vorhersagbarkeit, wie Aerosole das Zusammenspiel von Luftqualität, Ökosystemen und Klima beeinflussen – im Laufe der Erdgeschichte ebenso wie im Anthropozän, dem gegenwärtigen Zeitalter rapide zunehmender menschlicher Einflussnahme.“Das neu entwickelte KM3C-Modell ist online verfügbar unter https://multiphasekinetics.org/km3c/nano.

Quelle

Max-Planck-Institut für Chemie (09/2026)