Experimentierkanal SAPHIR

Atlantik nach Jülich geholt

Welche Auswirkungen könnten neue Zusatzstoffe im Kraftstoff auf die Luftqualität haben? Wie lange wird es dauern, bis ein neu entwickeltes Treibgas in der Atmosphäre wieder abgebaut ist? Für Prognosen dieser Art sind umfangreiche Rechenmodelle nötig.

Doch stimmt die Theorie mit der Praxis überein? Hat man die unterschiedlichen chemischen Reaktionen, die ständig in der Atmosphäre ablaufen, gut genug verstanden? Diesen Fragen sind die Jülicher Wissenschaftler des Instituts Troposphäre (ICG II) auf der Spur. Sie erforschen die Luft über dem Atlantik, im Wald oder in der Stadt, um die Atmosphäre und deren Veränderung unter dem Einfluss des Menschen zu verstehen. Seit neuestem können die Wissenschaftler jede beliebige Luftzusammensetzung sogar selbst mischen, um sie gezielt zu untersuchen. Dafür haben sie eine bislang einzigartige Atmosphären-Simulationskammer konstruiert.

Atmosphärenforscher mögen die Extreme. Ihre Experimente führen sie in reinste Atlantikluft ebenso wie in die belastete Abluft Berlins. Das erscheint nur auf den ersten Blick widersprüchlich, denn wer das komplizierte System „Atmosphäre“ verstehen will, der muss ihm unter den verschiedensten Bedingungen begegnen.

Mit dem deutschen Forschungsschiff „Polarstern“ waren die Jülicher Wissenschaftler um Dr. Hans-Peter Dorn und Dr. Andreas Hofzumahaus auf dem Atlantischen Ozean unterwegs. Weitab jeglicher Zivilisation konnten sie hier die unbelastete „Reinstluft“ untersuchen. Dabei galt ihr besonderes Interesse einem Spurengas, das nur in geringsten Konzentrationen in der Atmosphäre vorkommt, für die Umwelt aber von größter Bedeutung ist: Das Hydroxyl-Radikal, eine hochreaktive Verbindung aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom. Diese Teilchen sind so etwas wie ein „atmosphärisches Waschmittel“. Hydroxyl-Radikale bauen die meisten Luft verschmutzenden Spurengase wie Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in der Troposphäre, dem unteren Stockwerk der Atmosphäre, ab. „Schon eine geringfügige Verringerung dieser Selbstreinigungsfähigkeit könnte die Konzentration vieler Spuren- und Schadgase in der Atmosphäre drastisch erhöhen“, erklärt Dorn das Interesse der Forscher an diesen kurzlebigen Teilchen.

Forschung in reinster Atlantikluft

Infografik. Kreislauf von Spurengasen, dargestellt mit Pfeilen. Links Emission von Kohlenmonoxid, Methan, flüchtigen organischen Verbindungen, Stickoxid und Schwefeldioxid. Emission durch Verkehr, Waldrodung, Industrie und biogene Quellen. Pfeil nach oben. Dort photochemischer Abbau durch Hydroxyl-Radikale. Ferntransport durch Wind. Rechts Pfeil nach unten. Entstandene Substanzen: Kohlendioxid, Wasser, organische Säuren, Ozon, HNO3, H2SO4 und Aerosole. Auswaschen durch Niederschlag oder trockene Deposition.
Spurenstoffkreislauf in der Atmosphäre

Den Selbstreinigungsprozess in seiner einfachsten Form konnten die Wissenschaftler über dem Atlantik verfolgen. Dem seltenen Hydroxyl-Radikal waren sie dabei mit einer eigens entwickelten Messtechnik auf der Spur. Mit einem Laserstrahl, einhundert Mal hin und her reflektiert zwischen zwei Spiegeln, die auf dem Schiff im Abstand von 20 Metern aufgebaut waren, bestimmten die Forscher die Konzentration des kurzlebigen Hydroxyl-Radikals. Je mehr Teilchen sich im Weg des Laserstrahls befinden, um so stärker wird das Licht geschwächt.

Womit reagiert dieses „atmosphärische Waschmittel“ nun in der reinen Atlantikluft? Zwei Schadgase gibt es hier, die aufgrund ihrer langen Lebensdauer vom Kontinent bis über das Meer transportiert werden. Eines davon ist Kohlenmonoxid, ein giftiges Gas, das entsteht, wenn Kohle, Gas und Öl durch Sauerstoffmangel nicht vollständig verbrennen können. Der größte Abbau dieses Spurengases findet über dem Atlantik durch Hydroxyl-Radikale statt. Auch Methan, das für den Treibhauseffekt mitverantwortlich ist, wird auf diese Weise ohne schädliche Nebenwirkungen aus der Atmosphäre entfernt. „In der Reinluft über dem Atlantik stimmen unsere Messungen mit den Aussagen von atmosphärischen Rechenmodellen gut überein. Dieses einfache System haben wir also verstanden“, erklärt Dorn ein wichtiges Ergebnis der Expedition.

Berliner Luft ist anders...

Doch wie sieht es aus, wenn weitere Schadgase zum Beispiel aus dem Verkehr hinzukommen? Als Nächstes bauten die Jülicher Forscher ihre Messgeräte 50 Kilometer nordwestlich von Berlin auf. Hier erwartete sie ein Mix aus Abgasen. Neben Kohlenmonoxid und Methan muss das Hydroxyl-Radikal nun auch noch eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden abbauen (Bild 1). Diese Schadgase, die in der reinen Atlantikluft fehlen, bringen die bisher von den Wissenschaftlern verstandene Atmosphärenchemie durcheinander. Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden vor allem im Straßenverkehr freigesetzt, Stickoxide zusätzlich auch aus dem gedüngten Ackerboden. Selbst die Vegetation ist beteiligt, da auch Pflanzen Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre abgeben.

In dieser Umgebung hat der Abbau der Kohlenwasserstoffe durch Hydroxyl-Radikale nun einen nachteiligen Nebeneffekt: Es entsteht Ozon und bei hoher Konzentration der bekannte Sommersmog. Zudem können Stickoxide mit Hydroxyl-Radikalen zu Säuren reagieren – der gefürchtete „Saure Regen“ entsteht.

Seit Beginn der Industrialisierung hat sich durch die zunehmenden Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden die Konzentration von Ozon in der Troposphäre in etwa verdoppelt. Um so wichtiger ist es, eine Strategie zu entwickeln, mit der die hohen Ozonwerte während der Sommersmog-Perioden verringert werden können. Dazu müssen die Wissenschaftler die einzelnen luftchemischen und meteorologischen Prozesse, die zur Bildung des Ozons in bodennahen Schichten führen, jedoch sehr genau kennen und verstehen.

Selbstreinigungskraft überschätzt

Durch die Berliner Messkampagne BERLIOZ (Berlin Ozon Experiment) erhielten die Jülicher Atmosphärenforscher eine große Anzahl von Messdaten, die sie mit den Aussagen von Modellstudien der Atmosphärenchemie verglichen . Es zeigte sich, dass die vom Modell errechnete Konzentration der Hydroxyl-Radikale deutlich höher war als die gemessene.

Die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre ist also geringer als angenommen. „Zu viele Mechanismen sind in dem komplexen System der verschmutzten Atmosphäre einfach noch nicht bekannt“, erklärt Dr. Frank Holland die Abweichungen. Grund genug für die Wissenschaftler, sich auf die Suche nach einer Lösung zu machen. Man müsste, dachten sie sich, eine künstliche Atmosphäre in einer geschützten Kammer schaffen. In dieser ließen sich dann die einzelnen Gase und ihre Reaktionen unter vorgegebenen Bedingungen beobachten. Zudem könnte man die Luft verschiedener Regionen nachahmen.

Damit wäre auch ein weiteres Problem gelöst: Messungen in der freien Natur sind nicht wiederholbar. Das verhindern Regen, Wind und Wolken. „Selbst innerhalb weniger Minuten können sich am gleichen Ort die Konzentrationen der einzelnen Gase durch Transportprozesse stark ändern“, erläutert Dorn die komplizierten Messbedingungen.

Luft aus der Retorte

Foto. Röhrenförmiger Gang aus durchsichtigem Material. Mehrere quadratische Bodenplatten.
Frei aufgehängter Teflonschlauch von SAPHIR

Die Vision ist in Jülich Wirklichkeit geworden. Nach vier Jahren Bauzeit steht vor dem Institut die 20 Meter lange Atmosphären-Simulationskammer SAPHIR. Ihr Kernstück ist ein doppelwandiger Teflonschlauch mit einem Durchmesser von fünf Metern, in den etwa 300.000 Liter Luft gewünschter Zusammensetzung eingeblasen werden können (Bild 2). So gibt es in Jülich zukünftig wahlweise Atlantik-, Stadt- oder Landluft. Dabei ist es den Forschern wichtig, mit realistischen Spurengas-Konzentrationen zu arbeiten. Auch die Sonne bleibt nicht außen vor: Die eingesetzte Teflonfolie ist durchlässig für die UV-Strahlung, die die nötige Energie für den Ablauf der chemischen Reaktionen liefert. „So können wir zum Beispiel die verschiedenen Bildungsmechanismen der wichtigen Hydroxyl-Radikale näher untersuchen“, erklärt Institutsleiter Dr. Andreas Wahner. „Denn Hydroxyl-Radikale werden nicht ,verbraucht‘, wenn sie Spuren- und Schadgase abbauen, sondern im weiteren Verlauf zurückgebildet“, erläutert er. „Diese Prozesse sind außerordentlich vielfältig und quantitativ noch nicht verstanden.“

Aber auch einen Blick in die Zukunft erlaubt die Kammer den Atmosphärenforschern. Sie können zum Beispiel untersuchen, wie sich neue Zusatzstoffe im Benzin auf die Luftqualität auswirken werden. Den Wissenschaftlern ist es nun möglich, Teilbereiche der komplexen Atmosphärenchemie isoliert zu betrachten und deren Wirkung auf das „Gesamtsystem Atmosphäre“ gezielt zu untersuchen. Die Ergebnisse fließen in Modelle zur Atmosphärenforschung ein, die helfen, den menschlichen Einfluss auf die Luftqualität zu untersuchen. Bestehende Rechenmodelle können wiederum unter realistischen Bedingungen in SAPHIR überprüft werden.

ECHO aus dem Wald

Eine wichtige Rolle wird die Atmosphären-Simulationskammer in den nächsten beiden Jahren im Großprojekt ECHO (Emission und chemische Umwandlung biogener flüchtiger organischer Verbindungen) spielen. Auf dem Gelände des Forschungszentrums untersuchen die Wissenschaftler den Einfluss eines Mischwaldbestands auf die Atmosphäre. Denn Wälder verbessern nicht nur die Luftqualität, sie geben auch organische Spurengase an die Atmosphäre ab. Es ist jedoch weitgehend unbekannt, wie hoch diese Emissionen in unseren Breiten sind. Ebenso unklar ist bis heute, inwieweit diese Pflanzenemissionen zur Ozonbildung und damit zum Sommersmog beitragen.

Messungen zum Tagesgang von Ozon

Im Verbundprojekt ECHO arbeiten Jülicher Wissenschaftler gemeinsam mit Chemikern des Max-Planck-Instituts in Mainz, Forschern des Instituts für Spektrochemie in Dortmund und Meteorologen der Universität Hamburg im Rahmen des Atmosphärenforschungsprogramms (AFO 2000) des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF). Die Hamburger haben dazu eigens ein maßstabgetreues Modell des Jülicher Waldgebiets nachgebaut, mit dessen Hilfe die Transport- und Ausbreitungsprozesse der Gase nachgestellt werden können. Dazu stellen die Forscher das Modell in einen Windkanal und lassen Luft über die kleinen gewellten Lochbleche strömen, die im Modell die Baumgruppen darstellen. „Mit dieser einfachen, aber effektiven Versuchsanordnung können wir fehlende Datenlücken schließen, denn wir werden nicht zu jeder Windgeschwindigkeit und -richtung Messungen im Wald durchführen können“, erklärt Dr. Ralf Koppmann, Leiter des ECHO-Projektes. Doch zunächst stehen Freiland-Messungen auf dem Programm. Die Jülicher Atmosphärenforscher werden sich während des Experiments dazu in luftige Höhen begeben. Von einer Messplattform in 35 Metern Höhe, sowie vom 125 Meter hohen meteorologischen Turm des Forschungszentrums aus werden sie Spurengase und Radikale einfangen. Dabei haben die Jülicher auch immer die Sonne im Blick, denn die UV-Strahlung ist der Motor der photochemischen Reaktionen in der Atmosphäre.

Anschließend können die Wissenschaftler in SAPHIR die im Freiland gemessenen Spurengasgemische genauer unter die Lupe nehmen. Hier stellen sie noch einmal die Bedingungen nach, die im Wald herrschen und schauen sich die chemischen Reaktionen im Detail an. Gezielt können die Jülicher nun auch einzelne Faktoren ändern und die Ergebnisse mit den Vorhersagen von Modellrechnungen vergleichen. Parallel zu den Experimenten in freier Natur werden Versuche in den Pflanzenkammern des Instituts Phytosphäre (ICG III) gestartet, um unter definierten Bedingungen die Aufnahme und Abgabe von Spurengasen durch die Pflanzen zu beobachten. Auch der Windkanal aus dem Institut Agrosphäre (ICG IV) kam bereits im Rahmen des ECHO-Projektes zum Einsatz. In Kombination mit einem Lysimeter untersuchen die Bodenforscher zurzeit, welche Substanzen der Waldboden „ausdünstet“.

Mit ihren breit angelegten Forschungen tragen die Jülicher Wissenschaftler der Tatsache Rechnung, dass die Atmosphäre kein isolierter Raum ist, sondern in enger Wechselwirkung mit Pflanzen und Boden sowie unter dem Einfluss des Menschen steht. Damit lässt sich aussagekräftiger und belastbarer vorhersagen, wie zukünftige Regulierungsmaßnahmen die Zusammensetzung und Selbstreinigungskraft der Atmosphäre verändern. Für Politiker und andere Entscheidungsträger ist das ein wichtiges Kriterium.