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Erde+Umwelt

Neue Molekülsorte in der Atmosphäre

Strömungsrohr
Freistrahl-Strömungsrohr zur Analyse atmosphärischer Reaktionen. © Tilo Arnhold/ TROPOS

In der irdischen Atmosphäre spielen hochreaktive Sauerstoffverbindungen eine wichtige Rolle, denn sie tragen unter anderem zum Abbau von Treibhausgasen und zur Selbstreinigung bei. Jetzt haben Forscher eine ganz neue Klasse solcher Sauerstoffverbindungen in der Atmosphäre entdeckt. Diese Hydrotrioxide sind gekennzeichnet durch eine Molekülgruppe aus drei Sauerstoffatomen und einem Wasserstoff (R-OOOH) und entstehen durch die Reaktion von organischen Verbindungen mit Hydroxyl-Radikalen (OH). Pro Jahr könnten Millionen Tonnen dieser Moleküle in der Atmosphäre gebildet werden. Ihre Wirkung auf Klima und Gesundheit ist jedoch noch ungeklärt.

Der untere Teil der Erdatmosphäre ist nicht nur bestimmend für unser Wetter und Klima, in ihm laufen auch unzählige chemische Reaktionen ab. Durch sie entstehen reaktive Sauerstoffverbindungen wie das Hydroxyl-Radikal (OH), die Treibhausgase und organische Moleküle binden und zur Selbstreinigung der Gashülle beitragen. Beteiligt an diesen Reaktionen sind auch jährlich mehrere 100 Millionen Tonnen an Kohlenwasserstoffen, die durch natürliche Prozesse aus Wäldern freigesetzt werden oder aber aus anthropogenen Quellen stammen. Dabei kommt es zu verschiedensten Oxidationsprozessen, die bisher nur zum Teil verstanden sind.

Drei Sauerstoffatome hintereinander

Schon länger vermuten Chemiker, dass in der Atmosphäre bei der Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoffradikalen und Hydroxylradikalen und anderen reaktiven Sauerstoffverbindungen als Zwischenprodukt auch Hydrotrioxide entstehen könnten. Diese bestehen aus einem Kohlenwasserstoffrest, an dem eine Gruppe aus drei aufeinanderfolgenden Sauerstoffatomen und einem Wasserstoff hängt (R-OOOH). Diese Hydrotrioxide sind noch reaktionsfreudiger als Peroxide und werden in der Chemie als Oxidationsmittel für Alkene produziert und eingesetzt. Dafür sind allerdings organische Lösungsmittel und starke Kühlung nötig. Ob diese Moleküle auch unter natürlichen Bedingungen entstehen können, war jedoch bisher unklar.

Torsten Berndt vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig und seine Kollegen haben dies nun untersucht. Für ihre Studie nutzten sie ein sogenanntes Freistrahl-Strömungsrohr, um die Bildung von Hydrotrioxid in normaler Umgebungsluft mithilfe hochsensibler Massenspektrometer zu untersuchen. Die Chemiker konnten dabei tatsächlich nachweisen, dass Hydrotrioxide unter atmosphärischen Bedingungen entstehen können. Die Analysen ergaben, dass diese Moleküle sowohl bei der Reaktion des Kohlenwasserstoffs Isopren mit Hydroxyl-Radikalen gebildet werden als auch mit anderen organischen Verbindungen wie Trimethylamid.

Wirkung auf Klima und Gesundheit noch unbekannt

„Es ist wirklich aufregend, die Existenz einer neuen allgemeingültigen Klasse von Verbindungen zu zeigen, die aus atmosphärisch häufig vorkommenden Vorläufern gebildet wird“, sagt Seniorautor Henrik Kjærgaard von der Universität Kopenhagen. „Diese von uns entdeckten Moleküle sind einzigartig in ihrer Struktur.“ Die Hydrotrioxide sind relativ kurzlebig und bleiben zwischen 20 Minuten und etwa zwei Stunden stabil, bevor sie durch chemische Reaktionen wieder abgebaut werden. Quantenchemische Rechnungen und Modelsimulationen ergaben, dass allein aus Isopren jährlich rund zehn Millionen Tonnen Hydrotrioxide in der Atmosphäre gebildet werden. Berücksichtigt man ihre Lebensdauer, könnte die Konzentration der aus Isopren entstandenen Hydrotrioxide bei zehn Milliarden Molekülen pro Kubikzentimeter Luft liegen, wie Bernd und seine Kollegen berichten.

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Welche Auswirkungen die Hydrotrioxide auf Klima und Gesundheit haben, ist noch ungeklärt. „Weil sie extrem oxidierend wirken, bringen sie wahrscheinlich eine ganze Reihe von Effekten mit sich, die wir nun untersuchen müssen“, sagt Kjærgaard. Unter anderem vermuten die Wissenschaftler, dass sich die Hydrotrioxide in Aerosolen lösen und dort Reaktionen anstoßen. Dies könnte die Klimawirkung der Schwebtröpfchen beispielsweise durch eine veränderte Wolkenbildung beeinflussen. Ein weiterer Faktor ist die mögliche gesundheitliche Wirkung dieser hochreaktiven Moleküle. „Es ist leicht vorstellbar, dass bei den Reaktionen in den Aerosolen neue Substanzen entstehen, die beim Einatmen gesundheitsschädlich sind“, sagt Kjærgaard. „Um diese potenziellen Gesundheitsfolgen einschätzen zu können, sind ebenfalls weitere Untersuchungen nötig.“

Quelle: Torsten Berndt (Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig) et al., Science, doi: 10.1126/science.abn6012

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