Luftverschmutzung Das Geheimnis der Feinstaubbildung

Wenn im Winter in asiatischen Megastädten Smog auftritt, enthält die Luft Feinstaub – mehr als es eigentlich geben dürfte. Der Grund: In den Strassenschluchten bilden sich aus Autoabgasen blitzschnell neue Feinstaub-Partikel. Am Cern in Genf wird das simuliert.

Feinstaubpartikel mit einem Durchmesser kleiner als 2,5 Mikrometer entstehen vorwiegend direkt durch Verbrennungsprozesse zum Beispiel in Kraftfahrzeugen oder Heizungen. Die Experten bezeichnen das als «primären Feinstaub». Es gibt aber auch «sekundären Feinstaub», und zwar wenn sich organische Substanzen in Gasform wie Schwefelsäure, Salpetersäure oder Ammoniak an winzige Nanopartikel anlagern und dadurch grössere Teilchen heranwachsen.

Bisher war unklar, wie sich diese sekundären Feinstaubpartikel in den stark belasteten Ballungsräumen neu bilden können. Denn gemäss Berechnungen sollten sich die winzigen Teilchen eher an die reichlich vorhandenen grösseren Partikel anlagern als neue zu bilden.

Um die Entstehung sekundären Feinstaubs zu ergründen, haben Wissenschaftler im internationalen Atmosphären-Forschungsprojekt CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) am Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN in Genf (Schweiz) in einer Klimakammer Bedingungen wie in den Strassen von Mega-Cities nachgestellt. Dort kommt es in den Strassenschluchten durch die hohen Emissionen auf Strassenniveau und die geringe Luftzirkulation zu einer lokalen Erhöhung von Schadstoffen wie Ammoniak und Salpetersäure, die sich in der Strassenluft kurzzeitig stark anreichern.

Feinstaub entsteht im Blitztempo

In so hohen Konzentrationen können die beiden Schadstoffe an wenigen Nanometer kleinen Partikel kondensieren. Es bildet sich Ammoniumnitrat und die winzigen Nanopartikel legen innerhalb weniger Minuten sehr rasch an Grösse zu und bilden stabile Aerosolpartikel. Das Wachstum erfolgt dabei teilweise einhundert Mal schneller als dies bisher von anderen Schadstoffen wie Schwefelsäure bekannt war.

Dieser Prozess trägt damit in Ballungszentren deutlich zur Bildung von Feinstaub bei – das aber nur im Winter: Denn der Prozess läuft nur bei Temperaturen von weniger als etwa fünf Grad Celsius ab. «Bei wärmeren Bedingungen sind die Teilchen zu flüchtig und könnten daher keinen Beitrag zum Wachstum liefern», so der Aerosolphysiker Paul Winkler von der Universität Wien in einer Aussendung.

Die Wissenschaftler vermuten, dass sich Aerosolpartikel aus Ammoniak und Salpetersäure gelegentlich auch in höheren Luftschichten der Atmosphäre bilden. Das vor allem durch landwirtschaftliche Aktivität entstehende Ammoniak gelangt dabei durch aufsteigende Luftströmungen in die obere Troposphäre. Salpetersäure wird durch Blitze aus dem Luftstickstoff gebildet. Bei den niedrigen Temperaturen in diesen Höhen «bilden sich neue Ammoniumnitratpartikel, die als Kondensationskeime bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen», so der Ionenphysiker Armin Hansel von der Universität Innsbruck.

Seit rund zehn Jahren erforscht ein internationales Forscherteam im Experiment CLOUD am CERN, wie neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre aus Vorläufergasen gebildet werden und weiter zu Kondensationskeimen wachsen.

*Fachartikellink http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2270-4