{"id":3127,"date":"2016-02-01T15:19:01","date_gmt":"2016-02-01T14:19:01","guid":{"rendered":"http:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=3127"},"modified":"2016-02-01T16:07:44","modified_gmt":"2016-02-01T15:07:44","slug":"photonen-spalten-fckw-aber-nur-langsam","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/photonen-spalten-fckw-aber-nur-langsam\/","title":{"rendered":"Photonen spalten FCKW \u2013 aber nur langsam"},"content":{"rendered":"
\"Der<\/a>
Der Stratosph\u00e4renballon mit dem Luftprobensammler kann 100 kg schwere Messger\u00e4te in h\u00f6hen von 30 km tragen. Foto: A. Engel.<\/figcaption><\/figure>\n

Die Freisetzung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in die Atmosph\u00e4re ist seit Inkrafttreten des Montreal Protokolls zum Schutz der Ozonschicht im Jahr 1987 reglementiert. Aber die ozonzerst\u00f6renden Gase sind \u00e4u\u00dferst langlebig. Sie k\u00f6nnen erst in der Stratosph\u00e4re, also in H\u00f6hen oberhalb von etwa zehn Kilometern, durch kurzwelliges, energiereiches Sonnenlicht gespalten werden. Messungen der FCKW und ihrer Ersatzstoffe am Institut f\u00fcr Atmosph\u00e4re und Umwelt erlauben es, die Lebenszeiten dieser Substanzen zu bestimmen und damit auch ihr Potenzial, die Ozonschicht zu sch\u00e4digen und zur Klimaerw\u00e4rmung beizutragen. Sie stellen einen wichtigen Beitrag zur Klimaforschung dar.<\/p>\n

Wechselwirkungen des Sonnenlichts mit den Gasen der Erdatmosph\u00e4re spielen eine gro\u00dfe Rolle f\u00fcr das Leben auf der Erde. Den gr\u00f6\u00dften Beitrag dazu leistet die kurzwellige UV-Strahlung mit Wellenl\u00e4ngen von weniger als 400 Nanometern. So wird molekularer Sauerstoff (O\u2082) nur von energiereichen Lichtteilchen (Photonen) mit Wellenl\u00e4ngen von kleiner als 240 Nanometern gespalten. Diese Aufspaltung, auch Photolyse genannt, tr\u00e4gt zur Entstehung der sch\u00fctzenden Ozonschicht in der Stratosph\u00e4re bei. Nachdem das Sauerstoffmolek\u00fcl gespalten ist, verbindet sich jedes der beiden Sauerstoffatome mit einem O\u2082-Molek\u00fcl zum Ozon (O\u2083). Ihre maximale Konzentration weist die hierdurch entstehende Ozonschicht in H\u00f6hen zwischen etwa 20 und 30 Kilometern auf. Die Ozonschicht absorbiert schon Strahlung mit Wellenl\u00e4ngen kleiner als 290 Nanometer sehr effektiv. Dadurch sch\u00fctzt sie die Troposph\u00e4re, in der wir leben, vor der kurzwelligen UV-B-Strahlung der Sonne. Wenn die Strahlung wegen eines Lochs oder einer Ausd\u00fcnnung der Ozonschicht vermehrt in die Troposph\u00e4re gelangt, kann dies zu gesundheitlichen Problemen bei Menschen, aber auch zur Sch\u00e4digung von Pflanzen und Tieren f\u00fchren.<\/p>\n

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Ozonchemie der Troposph\u00e4re<\/h3>\n

Die wesentlichen Reaktionen f\u00fcr den Abbau vieler Substanzen, die in die Atmosph\u00e4re emittiert werden, sind sehr \u00e4hnlich den hier f\u00fcr das CO-Molek\u00fcl als Mustersubstanz gezeigten. In den Reaktionsgleichungen wird das Licht als Lichtquant (Photon) einer bestimmten Wellenl\u00e4nge \u03bb beschrieben. Es ist \u00fcblich, die Energie der Photonen als h\u03bd zu schreiben, wobei h f\u00fcr das Planck\u2019sche Wirkungsquantum und \u03bd f\u00fcr die Frequenz steht. M steht hier f\u00fcr einen beliebigen Sto\u00dfpartner, der bei der Reaktion nicht chemisch ver\u00e4ndert wird.<\/p>\n

Bildung von OH-Radikalen<\/em>
\nO\u2083 + h\u03bd (\u03bb \u2264 310 nm) \u2192\u00a0 O\u2082 + O(1<\/sup>D)
\nO(1<\/sup>D) + H\u2082O \uf0ae\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u2192\u00a0 2 OH<\/p>\n

Ozonbildung beim Abbau CO<\/em>
\nCO + OH + O\u2082\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u2192\uf0ae CO2<\/sub> + HO\u2082
\nHO\u2082 + NO \uf0ae\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u2192\u00a0OH + NO\u2082
\nNO\u2082 + h\u03bd (\u03bb < 424 nm) \u2192 NO + O
\nO + O\u2082 + M\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 \u00a0\u2192\uf0ae O\u2083 + M
\n______________________________________<\/p>\n

CO + 2O\u2082 + h\u03bd\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u2192\uf06e \uf0ae CO\u2082 + O\u2083<\/p>\n

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Das OH-Radikal: Waschmittel der Atmosph\u00e4re<\/h3>\n

Die Energie der Photonen, die durch den Filter der Ozonschicht in die erdnahe Troposph\u00e4re gelangt, reicht nicht aus, um die meisten Molek\u00fcle in der Troposph\u00e4re photolytisch zu spalten. Zwei wichtige Ausnahmen hiervon sind das Ozonmolek\u00fcl, welches auch in der Troposph\u00e4re vorkommt und dort photolytisch gespalten werden kann, und das Stickstoffdioxid (NO\u2082). Damit kommt diesen beiden Molek\u00fclen eine Schl\u00fcsselrolle in der Chemie der Troposph\u00e4re zu.<\/p>\n

Die photolytische Spaltung von Ozon und die nachfolgende Reaktion der gebildeten angeregten Sauerstoffatome (O(1<\/sup>D)) mit Wasser ist die Hauptquelle f\u00fcr das OH-Radikal (Graedel, 1994). Dieses sehr reaktionsfreudige Radikal reagiert mit einer Vielzahl von Substanzen, die aus nat\u00fcrlichen und anthropogenen Quellen in die Atmosph\u00e4re gelangen. Hierdurch k\u00f6nnen Substanzen wie Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid (CO), die nicht direkt photolytisch spaltbar sind, in der Troposph\u00e4re abgebaut werden. Bei diesen Reaktionen wird das OH-Radikal zur\u00fcckgebildet [siehe Kasten \u00bbOzonchemie der Troposph\u00e4re\u00ab]. OH-Radikale fungieren also lediglich als Katalysator und k\u00f6nnen in Form einer Kettenreaktion weiterreagieren, bis die Kette \u00fcber Senkenreaktionen f\u00fcr das OH-Radikal unterbrochen wird. \u00dcber Reaktionsmechanismen, die sehr \u00e4hnlich denen f\u00fcr das CO-Molek\u00fcl sind, werden die meisten Substanzen, die in die Atmosph\u00e4re emittiert werden, oxidiert. Hierbei entstehen entweder stabile Endprodukte wie CO\u2082 oder wasserl\u00f6sliche Substanzen, die dann aus der Atmosph\u00e4re ausgewaschen werden k\u00f6nnen. Die Energie f\u00fcr die Oxidation wird in jedem Fall \u00fcber das Lichtquant von der Sonne geliefert.<\/p>\n

\"Das<\/a>
Das Forschungsflugzeug HALO erm\u00f6glicht Messungen in der unteren Stratosph\u00e4re. Foto: A. Engel.<\/figcaption><\/figure>\n

Die Reaktion mit dem OH-Radikal ist der wichtigste Abbauprozess f\u00fcr viele klimasch\u00e4digende Gase, insbesondere das Methan, aber auch f\u00fcr viele teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe. \u00c4nderungen in der Photochemie der Troposph\u00e4re und damit in der mittleren Konzentration des OH-Radikals beeinflussen also die Lebenszeit von Methan und anderen Treibhausgasen und haben damit auch eine Auswirkung auf den Treibhauseffekt. Man kann das OH-Radikal als eine Art Waschmittel der Atmosph\u00e4re bezeichnen, weil es am ersten, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der meisten Abbaureaktionsketten beteiligt ist. Andererseits entsteht bei diesem Abbau in Gegenwart von Stickoxiden auch neues Ozon. In der Troposph\u00e4re ist es als Zellgift sch\u00e4dlich f\u00fcr Mensch und Umwelt.<\/p>\n

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Auf den Punkt gebracht<\/h3>\n