Wie Brom die Ozonschicht schädigt

  • 27. September 2017

Röntgenstrahlung erlaubt detaillierte Einblicke in atmosphärische Prozesse.

Eine neue Experi­mentier­kammer erlaubt Forschern, Abläufe in der Atmo­sphäre im Labor nachzu­stellen und mit dem Röntgen­licht aus der Synchro­tron Licht­quelle Schweiz SLS am Paul Scherrer Institut PSI, mit bisher uner­reichter Präzision zu unter­suchen. In ersten Experi­menten haben die Forscher im Detail gezeigt, wie Brom­moleküle in der Luft gebildet werden. Diese spielen eine wesent­liche Rolle beim Abbau von Ozon in den unteren Schichten der Atmo­sphäre. Mit ihren Ergeb­nissen leisten die Wissen­schaftler auch einen wichtigen Beitrag zu Modellen, mit denen die Verän­derungen des Klimas und der Zusammen­setzung der Luft erklärt und vorher­gesagt werden. 

Abb.: In der Experimentierkammer ist ein senkrechter, sehr dünner Wasserstrahl zu sehen, der aus einem Röhrchen nach unten fließt. Während des Experiments befindet sich in der Kammer ein Gasgemisch mit Ozon, das an der Oberfläche mit dem Bromid in dem Wasser reagiert und Brom entstehen lässt. (Bild: M. Dzambegovic, PSI)

Abb.: In der Experimentierkammer ist ein senkrechter, sehr dünner Wasserstrahl zu sehen, der aus einem Röhrchen nach unten fließt. Während des Experiments befindet sich in der Kammer ein Gasgemisch mit Ozon, das an der Oberfläche mit dem Bromid in dem Wasser reagiert und Brom entstehen lässt. (Bild: M. Dzambegovic, PSI)

Ozon in der oberen Atmo­sphäre schützt uns vor gefähr­licher UV-Strahlung, zu viel Ozon in unserer Atemluft kann hingegen unsere Gesund­heit gefährden. Wenn nicht gerade Sommer­smog herrscht, ist die Konzen­tration von Ozon in den unteren Schichten der Atmo­sphäre aber ungefähr­lich und weit­gehend konstant. Denn die Prozesse, bei denen Ozon gebildet oder abgebaut wird, halten sich ungefähr die Waage. Dazu leisten Brom und verwandte chemische Elemente wie Chlor und Iod in der Luft einen wesent­lichen Beitrag: Global gesehen sind sie für rund 50 Prozent des Ozonabbaus verant­wortlich.

Für die Entstehung von Brom in der Atmo­sphäre ist wiederum Ozon mitver­antwortlich. Denn das Brom bildet sich, wenn Bromid, das im Meer­wasser enthalten ist, mit Ozon aus der Luft in Berührung kommt. Das geschieht an der Meeres­oberfläche oder auch an der Oberfläche kleiner Tröpfchen, die bei der Gischt-Bildung entstehen. Weil gut 70 Prozent der Erde von Ozeanen bedeckt ist, geschieht dies global gesehen in großem Maßstab. Nun haben die Forscher Details dieser wichtigen chemischen Reaktion bestimmt. Dafür haben sie in einer neuen Experimen­tierkammer die Vorgänge an der Wasser­oberfläche nachgestellt und mit Hilfe von Röntgen­licht. Theo­retische Berech­nungen, die von Kollegen an Instituten in der Schweiz, den USA und in Katar durch­geführt wurden, haben bei der Inter­pretation der Messer­gebnisse geholfen.

„Wir konnten zeigen, dass während der che­mischen Reaktion an der Wasser­oberfläche für kurze Zeit eine Verbindung von Bromid und Ozon entsteht, die zwar theo­retisch vorher­gesagt worden war, aber bisher nicht beobachtet werden konnte“, sagt Luca Artiglia, der verant­wortliche Wissen­schaftler. Markus Ammann, Leiter der Forschungs­gruppe Oberflächen­chemie am PSI erklärt: „Diese Ergeb­nisse helfen nicht nur, die Brom­chemie in der Atmo­sphäre zu verstehen, sie werden auch in zukünf­tige atmo­sphärische Modelle ein­fließen und so zum Ver­ständnis der Ent­wicklung des Klimas und der chemischen Zusammen­setzung der Luft beitragen.“ Gleich­zeitig zeigen sie, dass die weltweit einzig­artige Expe­rimentier­kammer tat­sächlich die erwarteten Einblicke ermöglicht. Die Expe­rimentier­kammer wird in Zukunft Forschern aller wissen­schaftlichen Fach­richtungen zur Verfügung stehen, die sich mit der Chemie der Atmo­sphäre oder auch mit anderen Themen in Energie- und Umwelt­forschung beschäf­tigen.

PSI / JOL

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