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Wie Eispartikel das Entstehen von Radikalen begünstigen

Karina Morgenstern und Cord Bertram mit dem Versuchsaufbau (Bild: RUB, Marquard)

Bestimmte Moleküle mit Fluor, Chlor oder Brom können zusammen mit Wasser unheilvolle Substanzen in der Atmosphäre freisetzen

Die Herstellung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen, die die Ozonschicht schädigen, wurde weitestgehend verboten. Doch auch andere Substanzen können in Verbindung mit Eispartikeln, wie sie in Wolken vorkommen, Löcher in die Ozonschicht reißen. Einen möglichen Mechanismus dafür deckten Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum, der Universität Duisburg-Essen und der FAU auf. Sie beschreiben ihn in der Zeitschrift „Physical Review Letters“.*

Die Arbeiten basierten auf einer langjährigen Kooperation der Bochumer, Duisburg-Essener, und Erlangen-Nürnberger Teams um Prof. Dr. Karina Morgenstern, Dr. Cord Bertram, Prof. Dr. Uwe Bovensiepen und Prof. Dr. Michel Bockstedte, die aktuell im Rahmen des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv, fortgesetzt wird.

Organische Moleküle lagern sich in Eispartikel ein

Chemische Prozesse können das Wetter, das Klima und die Zusammensetzung der Atmosphäre maßgeblich beeinflussen. Kosmische Strahlung oder UV-Licht liefern die Energie, um chemische Verbindungen zu spalten. Im Fall von Brom-, Chlor- oder Fluorverbindungen entstehen dabei Radikale, also besonders reaktionsfreudige Moleküle. Diese greifen die Ozonmoleküle an und können Kettenreaktionen in der Ozonschicht auslösen. Eine frühere Laborstudie hatte gezeigt, dass Eispartikel mit einem Silberkern solche Reaktionen begünstigen können. Den Mechanismus dahinter erforschte das Team in der aktuellen Studie.

Im Labor erzeugten die Wissenschaftler winzige Eispartikel und analysierten, wie bestimmte chlor- oder bromhaltige Verbindungen damit interagierten. Sie kondensierten die Eispartikel auf Kupfer. In der Natur bilden unter anderem mineralische Staubteilchen Kondensationskeime für die Eispartikel.

Mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden beobachteten sie, dass sich die Moleküle bevorzugt an Defekte der Eisstruktur anlagerten. Die umgebenden Wassermoleküle der Eisstruktur orientierten sich daraufhin um; sie hydrierten die Moleküle. Das wiederum führte dazu, dass die Moleküle im Experiment leichter ionisiert werden können.

UV-Strahlung erzeugt Radikale

Die Forscher bestrahlten die Eiskristalle mit den angelagerten Molekülen mit UV-Licht, wodurch Elektronen in den Eispartikeln im Umfeld der Moleküle angeregt wurden. Diese angeregten Elektronen ionisierten die Chlor- und Brombenzolmoleküle. Durch die Ionisation zerfielen die Moleküle in organische Reste und hochreaktive Chlor- und Bromradikale.

„Der Mechanismus könnte erklären, was passiert, wenn UV-Licht auf mineralisch verunreinigtes Eis trifft“, sagt Cord Bertram. „Somit könnten unsere Ergebnisse helfen, die grundlegenden Prozesse hinter Phänomenen wie Ozonlöchern zu verstehen.“

Förderung

Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069) und der Projekte BO1841/3-1, BO1823/5-1 und MO960/18-1. Computersimulationen erfolgten am Forschungszentrum Jülich und am HPC-Cluster des regionalen Rechenzentrums Erlangen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

*DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.206001

Philipp Auburger, Ishita Kemeny, Cord Bertram, Manuel Ligges, Michel Bockstedte, Uwe Bovensiepen, Karina Morgenstern: Microscopic insight into electron-induced dissociation of aromatic molecules on ice, in: Physical Review Letters, 2018

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.206001

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Michel Bockstedte
Tel.: 09131/85-27706
michel.bockstedte@physik.uni-erlangen.de

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