Projekt PHOTOSOA

PHOTOSOA (Photosensitization: A novel pathway to SOA generation and property change in tropospheric particles)

Photosensibilisierung: Ein neuer Weg zur SOA-Bildung und Eigenschaftsveränderung in troposphärischen Partikeln

Troposphärische Aerosolpartikel werden in Modellen oft in einer sehr simplen Art und Weise als nichtflüchtig und chemisch inert beschrieben. Allerdings werden diese Annahmen durch die aktuelle Forschung angezweifelt, da flüchtige organische Verbindungen (VOC) und sekundäre organische Aerosole (SOA) ein System bilden, welches sich in der Atmosphäre durch chemische und dynamische Prozesse entwickelt. Jedoch sind Prozesse, die zur SOA-Bildung führen in der Atmosphärenwissenschaft bisher noch nicht komplett erforscht und verstanden. Modelle, welche bisher nur auf die bestehenden Daten von Laborstudien zurückgreifen, unterschätzen die SOA-Konzentrationen im Vergleich zu den SOA-Konzentrationen, die in Feldstudien gemessen worden sind. Dieser Unterschied zwischen Modellen und Feldstudien lässt vermuten, dass andere Quellen und Prozesse bezüglich der SOA-Bildung noch nicht identifiziert und charakterisiert worden sind. Um diese Lücke zu schließen wurden weitere Studien durchgeführt und es wurde gezeigt, dass gasförmiges Glyoxal eine deutlich höhere Affinität zur Partikelphase zeigt als bisher vermutet und somit durch Multiphasenchemie zur SOA-Masse beitragen kann. Eine solche Senke in der kondensierten Phase kann einen wichtigen Teil der fehlenden SOA-Masse, oft als aqSOA bezeichnet, in Modellen erklären. Allerdings können herkömmliche aqSOA-Quellen nicht vollständig das fehlende SOA erklären und es gibt es immer noch große Unsicherheiten in dem Verständnis der SOA-Bildung. Es wurde gezeigt, dass bei Multiphasenprozessen lichtabsorbierende Verbindungen entstehen können. Die Bildung lichtabsorbierender Verbindungen führt zu neuen photochemischen Prozessen, Photosensibilisierung genannt, in Aerosolpartikeln und/oder an der Gas/Partikel-Grenzfläche. Die Photosensibilisierung ist aus anderen wissenschaftlichen Bereichen wie der Abwasserbehandlung und der Oberflächenwasserchemie von Seen und Flüssen bekannt. Hierbei nehmen organische Moleküle Licht im Bereich der Sonneneinstrahlung auf, werden dadurch in einen energiereicheren Zustand versetzt und bewirken somit einen photoinduzierten Ladungs- oder Energietransfer auf ein anderes Molekül. Solche organischen Verbindungen können Aromaten, substituierte Carbonyle und/oder stickstoffhaltige Verbindungen sein, welche in troposphärischen Aerosolen zu finden sind. Obwohl diese Prozesse, welche zum Abbau von gelösten organischen Stoffen führen, in der Wasserphotochemie gut erforscht sind, ist nur wenig über solche Prozesse in/auf Aerosolpartikeln bekannt. Im Projekt PHOTOSOA soll die Photosensibilisierung in der Troposphäre studiert werden, da dieser Prozess eine wichtige Rolle in der SOA-Bildung und Alterung spielen kann. Durch die photosensibilisierten Prozesse können neue chemische Pfade eröffnet werden, die bisher nicht berücksichtigt worden sind, obwohl sie die chemische Zusammensetzung in der Atmosphäre beeinflussen können. Diese Prozesse können dazu beitragen die aktuellen Unterschätzungen in den SOA-Konzentrationen abzubauen. Um den Einfluss und die Wichtigkeit dieser photosensibilisierten Prozesse auf die SOA-Bildung in der atmosphärischen Partikelphasenchemie zu charakterisieren sind grundlegende Laboruntersuchungen bezüglich der Chemie von Triplett-Zuständen von relevanten Photosensibilisatoren unter verschiedenen experimentellen Bedingungen erforderlich. PHOTOSOA trägt somit entscheidend dazu bei Unsicherheiten in der SOA-Bildung zu reduzieren.

Referenzen

  • Felber, T., Schaefer, T., and Herrmann, H. OH‑Initiated Oxidation of Imidazoles in Tropospheric Aqueous‑Phase Chemistry. J. Phys. Chem. A, 2019, 123, (8), 1505‑1513, DOI: 10.1021/acs.jpca.8b11636.
  • Felber, T., Schaefer, T., and Herrmann, H. Five‑Membered Heterocycles as Potential Photosensitizers in the Tropospheric Aqueous Phase: Photophysical Properties of Imidazole‑2-carboxaldehyde, 2‑Furaldehyde, and 2‑Acetylfuran. J. Phys. Chem. A, 2020, 124, (48), 10029‑10039, DOI: 10.1021/acs.jpca.0c07028.
  • Felber, T., Schaefer, T., He, L., and Herrmann, H. Aromatic Carbonyl and Nitro Compounds as Photosensitizers and Their Photophysical Properties in the Tropospheric Aqueous Phase. J. Phys. Chem. A, 2021, 125, 23, 5078-5059, DOI: 10.1021/acs.jpca.1c03503.
  • Alpert, P. A., Dou J., Corral Arroyo, P., Schneider, F., Xto, J., Luo, B., Peter, T., Huthwelker, T., Borca, C. N., Henzler, K. D., Schaefer, T., Herrmann, H., Raabe, J., Watts, B., Krieger, U. K., Ammann, M. Photolytic radical persistence due to anoxia in viscous aerosol particles. Nat. Commun., 2021, 12, 1769, DOI: 10.1038/s41467-021-21913-x

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