Wie Aerosole entstehen

Aerosole sind feinverteilte Tröpfchen oder feste Partikel in einem Gas. Wolken beispielsweise sind in der Luft verteilte Wassertröpfchen und damit ein Aerosol. Die Bildung solcher Tröpfchen läuft in zwei Schritten ab: Zunächst bildet sich ein sogenannter Kondensationskeim. In einem zweiten Schritt kondensieren daran flüchtige Moleküle und bilden ein Tröpfchen. Kondensationskeime bestehen häufig aus anderen Molekülen als jene, die anschliessend daran kondensieren. Im Fall von Wolken beinhalten die Kondensationskeime oft Schwefelsäure und organische Substanzen. An diesen Keimen kondensiert anschliessend Wasserdampf aus der Atmosphäre.

Wissenschaftler unter der Leitung von Ruth Signorell, Professorin am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften, haben nun neue Erkenntnisse gewonnen über den ersten Schritt der Aerosolbildung, dem Prozess der Keimbildung (Nukleation). «Beobachtungen haben gezeigt, dass auch die flüchtigen Komponenten den Nukleationsprozess beinflussen können», erklärt Signorell. «Unklar war hingegen, wie dieser Mechanismus auf molekularem Niveau verstanden werden kann.» Denn es war bisher gar nicht möglich, die flüchtigen Komponenten während der Keimbildung experimentell zu beobachten. Selbst in einem berühmten Experiment zur Wolkenbildung am Cern, dem «Cloud»-Experiment, konnten bestimmte flüchtige Bestandteile nicht direkt nachgewiesen werden.

Flüchtige Komponente erstmals nachgewiesen

Die ETH-Forschenden entwickelten ein Experiment, um die ersten Mikrosekunden des Nukleationsprozesses zu untersuchen. Die dabei gebildeten Partikel bleiben im Experiment während dieser Zeit unversehrt und können mittels Massenspektrometrie detektiert werden. Im Experiment untersucht haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nukleation in verschiedenen CO₂-haltigen Gasmischungen. Zum ersten Mal konnten sie dabei auch die flüchtige Komponente nachweisen. Dabei handelte es sich im Experiment um CO₂. So konnten die Forschenden aufzeigen, dass die flüchtige Komponente für die Bildung von Nukleationskeimen einerseits essenziell ist und andererseits diesen Vorgang beschleunigt.

Wie eine Analyse der experimentellen Daten nahelegt, ist diese Beschleunigung darauf zurückzuführen, dass die flüchtigen Komponenten die Nukleation der weniger flüchtigen Komponenten katalysieren. Dies tun sie durch die Bildung von kurzlebigen, gemischten Molekülaggregaten, sogenannten Begleiterkomplexen. «Da die Flüchtigkeit von Gaskomponenten temperaturabhängig ist, spielt auch die Temperatur bei diesen Prozessen eine grosse Rolle», erklärt Signorell.

Interessant sind die neuen Forschungsresultate unter anderem, um damit die Nukleation, ihre molekularen Mechanismen und Geschwindigkeit besser zu verstehen und auch in Modellen erfassen zu können – beispielsweise bei der Wolkenbildung in der Erdatmosphäre. Ausserdem dürften die Ergebnisse helfen, die technische Bildung von Aerosolen effizienter zu gestalten. Ein Beispiel hierfür ist die CO₂-Abscheidung bei der Erdgasaufbereitung mittels schneller Kühlung.