Wichtige neue Quelle für Oxidation in der Atmosphäre gefunden

Hydroperoxide fungieren als kraftvolle Oxidationsmittel und nehmen eine Schlüsselrolle bei den chemischen Abläufen in unserer Atmosphäre ein. Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) ist es nun gelungen, einen bisher unbekannten Entstehungsweg für diese Substanzen nachzuweisen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich Hydroperoxide unter Einwirkung von Sonnenlicht aus α-Ketosäuren – wie etwa der Brenztraubensäure – direkt in Wolken, Regen und Aerosolwasser bilden können.

Dieser neu entdeckte Prozess hat beachtliche Ausmaße: Schätzungen zufolge könnten diese Reaktionen für etwa 5 bis 15 Prozent des in der wässrigen Phase beobachteten atmosphärischen Wasserstoffperoxids (H2​O2​) verantwortlich sein. Die Wissenschaftler:innen betonen, dass mit der Photolyse von α-Ketosäuren eine wesentliche Quelle für atmosphärische Oxidationsmittel identifiziert wurde. Derartige Oxidationsprozesse steuern sowohl die Entstehung als auch den Abbau von Partikeln und Luftschadstoffen maßgeblich. Daher ist dieser Reaktionsweg von großer Bedeutung für künftige Klimaprognosen und die Bewertung der allgemeinen Luftqualität.

Wie α-Ketosäuren die Chemie unserer Atmosphäre beeinflussen

Der entscheidende Schlüssel zu diesen neuen Erkenntnissen liegt in den sogenannten α-Ketosäuren. Dabei handelt es sich um Carbonsäuren, die durch eine zusätzliche Ketogruppe charakterisiert sind. Diese Säuren gelangen über komplexe Reaktionen aus einer Vielzahl von Vorläufergasen wie Isopren, Aromaten oder Acetylen in die Atmosphäre. Die Ursprünge dieser Gase sind dabei sowohl biogener Natur. Sie stammen also aus der Vegetation, als auch anthropogen, was den Einfluss der Industrie unterstreicht.

Obwohl α-Ketosäuren in der Biochemie, etwa beim Aminosäurestoffwechsel in lebenden Zellen, eine fundamentale Rolle spielen und weit verbreitet sind, wurde ihre Bedeutung für die Atmosphäre und das globale Klima bislang unterschätzt. Das Forschungsteam konnte nun jedoch anhand von drei spezifischen Säuren – Glyoxylsäure, Brenztraubensäure und 2-Ketobuttersäure – in Laborexperimenten und Modellrechnungen einen wichtigen Prozess belegen: In Verbindung mit Sonnenlicht sind diese Substanzen maßgeblich an der Bildung von Hydroperoxiden beteiligt, aus denen wiederum Wasserstoffperoxid hervorgeht. Diese chemischen Reaktionen finden in der atmosphärischen Flüssigphase statt, also innerhalb wasserhaltiger Partikel wie Wolken- oder Regentropfen.

Internationale Kooperation

An der Studie waren Forschende der Chinese Academy of Sciences (Guangzhou), des Guangdong Technion – Israel Institute of Technology, des Weizmann Institute of Science, der Fudan University (Shanghai), der University of Chinese Academy of Sciences, (Beijing), der Kunming University of Science and Technology, der Università di Torino, der Shandong University (Qingdao) und des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) beteiligt. Eine wichtige Rolle bei der Kooperation spielten drei Experten für photochemische Prozesse in den Flüssigkeiten der Atmosphäre: Die Professoren Sasho Gligorovski, Davide Vione und Hartmut Herrmann.

Präzisere Klimamodelle: TROPOS-Modell entschlüsselt neue Reaktionswege in der Atmosphäre

Um die globalen Auswirkungen der Laborergebnisse zu bewerten und verlässliche Hochrechnungen zu erstellen, nutzte die Abteilung für Atmosphärenchemie des TROPOS in Leipzig die Daten aus Shanghai und Turin in ihrem spezialisierten Flüssigphasenmodell CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism). Dieses Modell wurde über Jahre hinweg kontinuierlich verfeinert, um extrem komplexe Reaktionsketten detailliert abzubilden. Dank dieser Weiterentwicklung können die neuen Erkenntnisse nun als zusätzliche Rückkopplungseffekte in das System integriert werden.

Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS und der Shandong University Qingdao hebt die Bedeutung dieser internationalen Zusammenarbeit hervor. „Diese Arbeit liefert den ersten quantitativen Rahmen für die Bildung von Hydroperoxiden aus α-Ketosäuren und klärt die für Atmosphärenmodelle entscheidenden pH- und Konzentrationsabhängigkeiten. Durch die internationale Kooperation gelang es, ein weiteres Puzzlestück in der sehr komplexen Multiphasen-Atmosphärenchemie zu finden.“

Obwohl die Studie wegweisende erste Ansätze liefert, verdeutlicht sie gleichzeitig bestehende Wissenslücken. So mangelt es bisher an systematischen Feldmessungen der α-Ketosäure-Konzentrationen in Aerosolen und Wolkenwasser innerhalb unterschiedlicher Umgebungen. Solche Daten sind jedoch essenziell, um die Mechanismen vollständig in globale Klimamodelle zu überführen. Zukünftige Studien dieser Art könnten entscheidend dazu beitragen, das globale Budget von Hydroperoxiden präziser abzuschätzen. Gleichzeitig könnte man deren Einfluss auf die Sulfatproduktion sowie die Partikelbildung in der wässrigen Phase besser verstehen.

Quelle

Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V. (01/2026)