Aerosol
Ein Aerosol [] ist eine stabile Suspension von festen oder flüssigen Partikeln in der Gasphase.
Fälschlicherweise werden oft nur die Aerosolpartikel als Aerosole bzeichnet, d.h. die in Gasen mitschwebenden, feinst verteilten (dispergierten), festen und flüssigen Teilchen (Schwebstoffe) ohne oder mit nur einer geringen Beteiligung von Wasser.
Arten, Entstehung und Vorkommen
Allgemein
Aufgrund der obigen Definition können Aerosole prinzipiell nach Feststoffen (Staub, Rauch, Ruß) und Flüssigkeiten unterschieden werden.
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 Wolkenkondensationskeime.
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,
- Nebel aus einer Spraydose,
- Ruß oder Ölqualm aus einem Autoauspuff,
usw.
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 verteilt, 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.
Verbreitung
Aerosolpartikel sind sehr kleine Mikropartikel, die überall in der Luft vorkommen. Sie sind so klein, dass sie einzeln mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Sichtbar werden sie nur, wenn sie in einer sehr großen Konzentration in der Luft vorkommen, ca. 1000000 Partikel/cm³. Dies nimmt man als so genannten Smog wahr. Der Durchmesser der Partikel liegt zwischen 0,5 nm und 100 nm. Es gibt auch Partikel, die sich in größeren Spektren befinden, wie zum Beispiel größere Pollen. Da sie an der Gesamtmenge der Aerosole einen geringen Anteil haben sind sie von minderer Bedeutung, spielen jedoch auch eine gewisse Rolle in Bezug auf gesundheitliche Aspekte (Allergien).
Aerosolpartikel beginnen ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit Tröpfchen zu bilden, das Wasser in der Luft kondensiert an den Partikeln. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto größer werden die Tröpfchen. Bei einer hohen Luftfeuchtigkeit werden so die Tröpfchen immer größer und stoßen auch zusammen, es kommt zur Wolkenbildung, und letztendlich zum Regen. Man nennt Aerosolpartikel deshalb auch Wolkenkondensationskeime. Die Konzentration der Partikel ist je nach Ort unterschiedlich. Am geringsten ist sie über den Polen der Erde. Hier beträgt die Konzentration nur ca. 35 Partikel/cm³. Über ländlichen Gebieten beträgt die Konzentration ca. 2000-20 000 Partikel/cm³ und in Städten sogar 100 000 bis 1 Mio. Partikel/cm³. Bei solchen Werten ist durchaus verständlich, das Aerosolpartikel auch eine große Rolle für die Gesundheit und das Klima spielen.
Teilchenarten und deren Herkunft
Aerosolpartikel haben viele unterschiedliche Zusammensetzungen, was auch auf die Eigenschaften, sowie auf die Herkunft der Partikel schließen lässt. Einzelne Moleküle sind die kleinsten Partikel, sehr selten größer als 1nm. Sie entstehen meist bei Verbrennungen, aber auch als Stoffwechselprodukt von Pflanzen und Tieren, zum Beispiel Terpene. Sie reagieren in der Atmosphäre schnell mit anderen Molekülen, oder sogar mit größeren Partikeln. Moleküle zählen aber erst dann zu den Aerosolpartikeln, wenn sie groß genug sind, und einen festen Aggregatzustand aufweisen. Um diese Bedingung erfüllen zu können, müssen sich mehrere Moleküle zu einem Partikel verbinden.
Hochofenausstöße bestehen zum größten Teil aus Ruß, aber auch aus verschiedenen Sulfaten und Nitraten. Das Größenspektrum dieser Partikel liegt zwischen 1nm und 1000nm. Sie entstehen zum Beispiel bei der Verhüttung von Metallen, oder als Ausstoß von Kohlekraftwerken, aber auch durch Autoabgase. Das Größenspektrum dieser Aerosolpartikel ist deshalb so groß, da eine Verbrennung nie sauber ist und es so auch zu verhältnismäßig großen Rußpartikeln kommt.
Ähnlich wie bei Hochofenausstößen bestehen Rauchpartikel zum größten Teil aus Ruß. Sie entstehen unter anderem bei offenen Feuern und Waldbränden.
Partikel aus Mineralstaub sind vor allem auf die Erosion von Gesteinen zurückzuführen. Sehr viele Mineralstaubpartikel entstehen zum Beispiel bei Sandstürmen.
Aerosolpartikel aus Meersalz entstehen, wenn durch den Wind kleine Salzwassertröpfchen vom Meer aufgewirbelt werden. Das Wasser verdunstet anschließend, und zurück bleibt ein Meersalzpartikel.
Biologische Aerosole sind Pollen, Algen, Pilzsporen, Bakterien und Viren, Zellorganellen und Ausscheidungen. Diese Art von Aerosolpartikeln umfassen ein sehr großes Größenspektrum. Während manche Pollen so groß sind, dass man sie schon mit dem bloßen Auge sehen kann, gibt es auch Mikroviren, die manchmal sogar kleiner als 10 nm sind. Auch wenn man es kaum für möglich hält, gibt es durchaus sehr kleine Viren und Bakterien, die sich als Aerosolpartikel in der Atmosphäre befinden. Ihre Anzahl ist dennoch sehr klein. Es wird auch untersucht, ob diese Mikroviren und Mikrobakterien Einfluss auf die Gesundheit des Menschen haben können.
Es gibt allerdings noch sehr viele weitere Arten von Aerosolpartikel. Manche sind radioaktiv, andere bestehen aus Edelmetallen, und wiederum andere sind noch nicht einmal von unserem Planeten. Um die Herkunft eines bestimmten Partikel genau zu bestimmen, bedarf es einer sehr genauen Analyse der Inhaltsstoffe. Während ihrer Zeit als Aerosol verändern sich die Partikel auch ständig. Wenn Wasser an den Partikeln kondensiert und die vielen kleinen Tröpfchen immer Größere bilden, reagieren viele Aerosolpartikel miteinander, oder es werden chemische Vorgänge in der Luft katalysiert, welche die Zusammensetzungen der Partikel verändern.
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. Die Abwesenheit von Aerosolen wird in Nebelkammern genutzt und führt hier zu Übersättigung des Wasserdampfs von biszu 800 %.
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.
Wirkung auf die Wolkenbildung
Ihre wichtigste Rolle kommt den Aerosolpartikel bei der Bildung von Wolkentröpfchen zu. Die Fähigkeit als Kondensationskern zu wirken hat jeder Partikel, allerdings wird die Intensität dieser Fähigkeit durch die Zusammensetzung und die Größe des Partikels bestimmt. Je größer ein Partikel ist, desto mehr wasserlösliche Einzelkomponenten sind in ihm enthalten. Es ist somit mehr hydrophile Masse vorhanden, die Wasserdampf am Partikel kondensieren lässt. Bei Aerosolpartikeln, in denen keine hydrophilen Komponenten enthalten sind, wie zum Beispiel bei Ruß, kommt es auf die Oberfläche des Partikels an, wie gut Wasserdampf an ihm kondensieren kann. Je größer die Oberfläche des Aerosolpartikels, desto mehr Wasser kann an ihm kondensieren. Größere Partikel bilden früher Wolkentröpfchen als kleinere. Es kommt aber auch auf die Zusammensetzung der Partikel an. Wolkenkondensationskeime aus hydrophilen Mineralsalzen, wie zum Beispiel Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat können schon ab 70 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden, während hydrophobe Rußpartikel erst bei einer Luftfeuchtigkeitsübersättigung, also bei über 100 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden. In der Regel bilden ab 103 % Luftfeuchtigkeit alle Aerosolpartikel Tröpfchen. Gäbe es keine Aerosolpartikel, so bräuchte man bis zu 300 % Luftfeuchtigkeit, um eine Tröpfchenbildung herbeizuführen. In der Regel ist in Verbindung mit Aerosolpartikeln immer von relativer Luftfeuchtigkeit die Rede. Es wird auch untersucht, wie die Konzentration der Partikel auf die Wolkenbildung wirkt. Sobald die Wolkenkondensationskeime Tröpfchen bilden, sinkt die Luftfeuchtigkeit, da das zuvor in der Luft gelöste Wasser an den Partikeln kondensiert hat. Wird die Luftfeuchtigkeit also geringer, hören die Tröpfchen irgendwann auf zu wachsen, da nicht mehr genügend Wasser in der Luft vorhanden ist. Sind also wenig Partikel in der Luft vorhanden, bilden sich große Tröpfchen, die dann mit großer Wahrscheinlichkeit auch zusammenstoßen, es kommt schnell zu Regen. Sind aber sehr viele Partikel vorhanden, bilden sich nur kleine Tröpfchen, deren Wahrscheinlichkeit zusammen zu stoßen gering ist. Es bildet sich eine sehr große Wolke, die aber kaum, wenn überhaupt Regen abgibt. Dies wird oft bei Waldbränden beobachtet. Diese so genannten Pyrowolken wachsen manchmal bis zur Stratosphäre heran.
Wirkung auf das Klima
Bei Konzentrationen von durchschnittlich 10000 Partikeln/cm³ Luft kann man sich denken, dass Aerosolpartikel auch großen Einfluss auf das Klima haben. Allerdings haben sie nichts mit dem Treibhauseffekt zu tun, da für den Treibhauseffekt ausschließlich Gase verantwortlich sind. Wie genau Aerosole auf unser Klima wirken ist noch nicht genau erforscht, da sie in vielen Bereichen auf das Klima wirken. Die wichtigste Eigenschaft der Partikel, die auf das Klima Auswirkung hat ist, ob die Partikel Sonnenlicht absorbieren, und dabei Wärme freisetzen wie zum Beispiel Ruß, oder ob sie das Licht reflektieren oder brechen, wie zum Beispiel Salzpartikel. Dies kann auch in speziellen Geräten untersucht werden. Die Partikel werden hier mit UV-Licht bestrahlt, gleichzeitig wird gemessen, wie viel Licht die Partikel reflektieren, brechen, oder absorbieren (also in Wärme umwandeln). Es kommt aber nicht nur auf diese Eigenschaften an sich an, sondern auch wo sie sich auswirkt. In der Troposphäre sorgen Rußpartikel zum Beispiel für Temperaturanstieg, da sie das Sonnenlicht absorbieren und somit Wärmestrahlung abgeben. In der Stratosphäre hingegen fangen sie durch ihre Absorption das Licht ab, sodass weniger UV-Licht die Troposphäre erreicht, die Temperatur in der Troposphäre sinkt. Genau umgekehrt ist dieser Effekt bei Mineralpartikeln. Sie sorgen in der Troposphäre für deren Abkühlung, während sie für deren Erwärmung verantwortlich sind wenn sie sich in der Stratosphäre befinden. Aerosolpartikel beeinflussen das Klima in einem sehr kompliziertem System. Allein schon die Eigenschaft der Wolkenbildung hat einen sehr großen Einfluss auf das Klima. Man könnte sogar meinen, das dieses System auch der Erderwärmung entgegenwirken kann, da es durch die Erwärmung zur Verdunstung von mehr Wasser führen kann, es entstehen mehr Wolken, die wiederum die Troposphäre abkühlen. Es gibt in Hinsicht darauf viele Thesen, und die Wissenschaftler sind sich noch lange nicht einig.
Einfluss auf das Ozonloch
Wie schon bekannt ist, wird das Ozonloch maßgeblich von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) hervorgerufen. Diese Stoffe sind in der Troposphäre sehr stabil, spalten aber in der Stratosphäre Fluor und Chlorradikale ab, welche dann Ozon (O3) in Sauerstoff (O2) katalysieren. Für diese Abspaltung von Chlor und Fluorradikalen in der Stratosphäre sind Aerosole verantwortlich, da die Reaktion ( CxHyClzFU CxHy. + Z*Cl. + U*F.) nur auf der Oberfläche eines Aerosolpartikels stattfinden kann.
Saurer Regen
Als sauren Regen bezeichnet man Regen, der aufgrund eines überhöhten Säuregehaltes (hauptsächlich Schwefelsäure (H2SO4) und Salpetersäure (HNO3) ) den pH-Wert des Niederschagswassers herabsetzt und über die hierdurch unterstützte Bodenversauerung das Edaphon beeinflusst. Ursache des hohen Säuregehalts sind bestimmte Aerosole, wie zum Beispiel Nitrate (RNO3), Sulfate (RSO4) und verschiedene Stickoxide. Sie reagieren mit anderen Aerosolen in der Luft, oder während der Tröpfchenbildung, zu Salpetersäure und Schwefelsäure. Hauptquellen für solche Aerosole sind die Abgase, die von Menschen verursacht werden. Zudem wurden auch in den 70er Jahren, als man noch nicht so viel über die Entstehung des sauren Regens wusste, Rußfilter in die Schornsteine vieler Fabriken eingesetzt. So wurde dann zwar weniger sichtbarer Ruß freigesetzt, die unsichtbaren Stickoxide und andere säurebildende Aerosole wurden jedoch weiter ausgestoßen. Da Rußpartikel in der Atmosphäre basisch reagieren, also die Fähigkeit haben Säuren zu neutralisieren, hat der Einsatz solcher Filter auch zur Bildung von saurem Regen beigetragen.
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. Besonders anfällig für den Einfluss der Aerosole sind Menschen die an Allergien gegen bestimmte Partikel leiden, wie zum Beispiel Pollenallergie oder Schimmelpilzallergie.
Verbleiben die Partikel in der Lunge, insbesondere wenn sie Schwermetalle mit sich tragen, so können die diese und andere Organe auf Dauer schädigen. Durch Abgaskatalysatoren, andere Filterungsmaßnamen und Fahrverboten kann diesem Feinstaub zum Teil entgegengewirkt werden, gegen Allergien gibt es auch bis heute noch kein wirklich wirksames Mittel, welches das Problem endgültig löst.
Literatur
- Johann Feichter: Aerosole und das Klimasystem. Physik in unserer Zeit 34(2), S. 72 - 79 (2003), ISSN 0031-9252