„Aerosol“ – Versionsunterschied

Aerosole [a.eroˈzoːl, ɛroˈzoːl] ist die Sammelbezeichnung für die in Gasen mitschwebenden, feinst verteilten (dispergierten), festen und flüssigen Teilchen (Schwebstoffe). Typische Beispiele sind die Bestandteile des Nebels (Wassertröpfchen) oder des Staubes (Feststoffe).

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Abbildung 1: Aeorosole können aus festen und flüssigen Teilchen bestehen; je nach Ursprung der Teilchen wird zwischen primären und sekundären Aerosolen unterschieden

Arten, Entstehung und Vorkommen

Aufgrund der obigen Definition können Aerosole prinzipiell in verschiedene Kategorien unterschieden werden:

• die dispergierten Teilchen sind Feststoffe: Staub, Rauch, Russ, Eiskristalle
• die dispergierten Teilchen sind flüssig: Nebel, Wolke (Wassertropfen)

Die flüssigen Teilchen der Aerosole können durch spontane Kondensation oder Desublimation in übersättigten Gasen, aber auch durch Absorptionsprozesse gebildet werden. Die Übersättigung einer Gasphase ist in der Regel die notwendige Vorbedingung für eine Aerosolbildung, sie selbst wirken jedoch auch wiederum als Kondensationskerne.

In Abhängigkeit von dem Ursprung der Teilchen wird zwischen primären und sekundären Aerosolen unterschieden. Bei den primären Aerosolen stammen die feinst verteilten Teilchen aus mechanischen oder themischen Prozessen (siehe Staub). Bei den sekundären Aerosolen haben sich die Teilchen aus gasförmigen Stoffen durch chemische Reaktion und/oder durch Anlagerung der Reaktionsprodukte an Kondensationskerne gebildet:

Aerosole findet man in vielen Bereichen unserer Umgebung:

• Staub in der Raumluft,
• Zigarettenqualm,
• Dampfschwaden über einem Kochtopf,
• Nebel aus einer Spraydose,
• Wolken am Himmel,
• Ruß oder Ölqualm aus einem Autoauspuff,
• Morgennebel über Flussauen

usw.

Datei:Sekundäre Aeorosole.jpg

Abbildung 2: Wichtige sekundäre Prozesse der atmosphärischen Partikelbildung und die geschätzte jährliche Bildungsmenge (nach Andreae 1994 (1)) in Millionen Tonnen für verschiedene Partikel

Unsere Atmosphäre enthält stets Aerosole unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Konzentration. In ihr enthalten sind:

• natürliche organische Anteile: Pollen, Sporen, Bakterien
• natürliche anorganische Anteile: Staub, Rauch, Seesalz, Wassertröpfchen
• vom Mensch eingebrachte Verbrennungsprodukte wie Rauch, Asche oder Stäube
• vom Mensch hergestellte Nanopartikel.

Die Konzentration eines Aerosols nimmt mit der Höhe ab und in 10 km Höhe findet man in der Regel nur noch einen Zehntausendstel des Bodenwertes von etwa 2·10^-6 kg Aerosol pro kg Luft. Insbesondere Vulkanausbrüche können zu sehr hohen Konzentrationen von Aerosolen in der Atmosphäre führen, die das Wetter beeinflussen.

Aerosole werden jedoch durch Windturbulenzen ständig neu von der Bodenoberfläche mobilisiert und in Abhängigkeit von Windrichtung und Windstärke großflächig veteilt, was bei besonders belasteten Böden deren Umgebung mit kontaminieren kann. Besonders dramatisch zeigt sich dies bei radioaktiven Wolken, welche sehr gefährliche Aerosole mit sich führen und so auch im Zuge der Katastrophe von Tschernobyl am 26. April 1986 bzw. in der darauf folgenden Woche große Teile Europas verstrahlten.

Eigenschaften

Die Eigenschaft von Aerosolen längere Zeit mit Gasen transportiert werden zu können liegt darin, dass sie sich mit kleiner werdendem Durchmesser immer mehr wie Gas-Moleküle verhalten. Oder - aus Sicht der Aerodynamik - verringert sich das Volumen und damit die Masse in der dritten Potenz, wohingegen die Querschnittsfläche nur um die zweite Potenz schrumpft. Durch den Luftwiderstand haben Aerosole eine maximale Sinkgeschwindigkeit, die beim Gleichgewicht von Gravitationskraft und Luftreibung erreicht wird. Bezogen auf die maximale Sinkgeschwindigkeit bedeutet die Halbierung des Durchmessers eines Partikels, eine Verringerung der Masse und damit der Gravitationskraft um den Faktor 8 und die der Querschnittsfläche und damit die Luftreibungskraft um den Faktor 4. Daraus folgt für die maximale Sinkgeschwindigkeit, dass Partikel mit halbem Durchmesser auch nur die halbe Sinkgeschwindigkeit haben.

Messung

Aerosolkonzentrationen werden mit Kernzählern bestimmt. Hierbei lässt man im einfachsten Fall eine bestimmte Luftmenge auf eine dünne Vaselineschicht einwirken und wertet diese hiernach mikroskopisch aus. Dabei unterscheidet man in Abhängigkeit von der Korngröße nach Aitken-Kernen (10^{-2 bis 10-1 μm), großen Kernen (10-1 bis 2 μm) und Riesenkernen (>102 μm).}

Bedeutung

Wetter und Klima

Die wichtigste Rolle für das Wetter spielen hygroskopische Aerosole welche als Kondensationskerne fungieren und so Tropfen- bzw. Wolkenbildung anregen. Aus diesem Grund setzte man lange Zeit auch Silberiodid und andere Chemikalien ein, um eine künstliche Wolkenbildung hervorzurufen. Besonders bei Hagelgefahr sollten die Hagelflieger auf diese Weise besonders „gefährliche“ Wolkenformationen entschärfen.

Unklar ist derzeit noch die Rolle der Aerosole für das Klima bzw. den Klimawandel. Durch anthropogene Emissionen zeigen sich vor allem lokal teilweise sehr große Konzentrationssteigerungen und eine umfassende Luftverschmutzung (Smog). Diese kann den Strahlungshaushaltes der Erde direkt oder indirekt (Wolkenbildung) beeinflussen und ist daher ein aktueller Schwerpunkt vieler Forschungsvorhaben.

Humanmedizin

Aerosole werden vom Menschen eingeatmet, wobei es oft unklar ist, welche Auswirkungen die verbleibenden Teilchen in der Lunge und damit auf den Organismus haben. Unter dem Begriff Lungengängigkeit von Teilchen hat man rechnerische Überlegungen angestellt, welchen Durchmesser ein Aerosol haben muss, damit es wieder ausgeatmet wird und damit lungengängig ist. Die Überlegung ist dabei, die Entstehung der prozessbedingten Aerosole so zu beeinflussen, dass diese mit einem optimalen Durchmesser anfallen, der ein Wiederausatmen der Teilchen ermöglicht. Die Berechnungen, die ansatzweise obige Überlegungen einbeziehen, kommen zu dem Ergebnis, dass lungengängige Aerosole einen Durchmesser von 0,5μm haben sollen.

Literatur

• Johann Feichter: Aerosole und das Klimasystem. Physik in unserer Zeit 34(2), S. 72 - 79 (2003), ISSN 0031-9252