Chemische Charakterisierung des marinen Aerosols

Das marine Aerosol – Chemische Charakterisierung des marinen Aerosols Marines Aerosol – kleinste Schwebeteilchen über dem Meer – können den Strahlungshaushalt der Erde direkt und indirekt durch Absorption und Reflexion einfallender Sonnenstrahlung beeinflussen. Marine Aerosolpartikel können auf verschiedenen Wegen beispielsweise durch Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre entstehen und sich durch ihre Umgebungsbedingungen verändern. Wichtige Prozesse bei der Bildung mariner Aerosole sind zum einen das so genannte „bubble bursting“, wobei durch platzende Luftblasen an der Meeresoberfläche Verbindungen aus dem Meerwasser direkt in die Atmosphäre eingebracht werden. Weiterhin spielen die Emission flüchtiger Verbindungen aus den Meeren bei der Aerosolbildung eine bedeutende Rolle. 

Abb.1: Interaktionen zwischen Ozean und Atmosphäre, die zur Bildung von marinen Aerosol führen.

Um Quellen, Transport und Bildungswege des marinen Aerosols besser zu verstehen und um die Bedeutung mariner Partikel für die globale Klimabetrachtung abzuschätzen, ist es notwendig sowohl ihre chemische Zusammensetzung als auch die mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften zu kennen. Neben Seesalz enthalten die marinen Aerosole einen Großteil an organischen Verbindungen, die die Aerosoleigenschaften bedeutend beeinflussen. Neben den marinen Aerosolen wird auch das Meerwasser als wichtige Quelle dieser Verbindungen untersucht. Bezüglich des Meerwassers ist vor allem die chemische Zusammensetzung des Oberflächenfilms der Meere interessant – eine mikrometerdicke Schicht, die die direkte Schnittstelle zwischen Meerwasser und Atmosphäre darstellt und oftmals mit organischen Verbindungen angereichert ist. Um den Oberflächenfilm der Meere zu beproben, wird die Glasplattentechnik eingesetzt. Dabei wird eine dünne Glasplatte vertikal ins Wasser eingetaucht und langsam herausgezogen.

Abb. 2: Probenahme des marinen Oberflächenfilms mit der Glasplattentechnik

Der mikrometerdicke Oberflächenfilm haftet an der Glasoberfläche und wird mit einem Teflonwischer abgestreift. Die so gesammelten Proben werden sofort tiefgekühlt und mit Kühlcontainers und Trockeneis bis in die Labore des TROPOS transportiert, in denen die chemischen Analysen erfolgen. Die Identifizierung und Quantifizierung speziell der klimarelevanten Organika erfolgt mittels komplexer chemischer Analysenmethoden. Gekoppelte chromatographische und massenspektrometrische Systeme kommen zum Einsatz. In zahlreichen Messkampagnen, beispielsweise auf den transatlantischen Polarsternfahrten von Chile oder Südafrika nach Bremerhaven, im norwegischen Bergen und an der Atmosphärenstation CVAO auf den kapverdischen Inseln, wird marines Aerosol, das Oberflächenwasser und der Oberflächenfilm der Meere untersucht. Diese Forschungsaktivitäten erfolgen im Rahmen des BMBF Verbundprojektes SOPRAN - Surface Ocean Processes in the Anthropocene (SOPRAN), welches die Hauptaspekte bezüglich der Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre erforscht. In dem DFG Projekt ALAMARE (ALiphatic Amines in the tropical MArine Environment) wird eine spezielle Gruppe an atmosphärenchemisch relevanten Verbindungen, aliphatischen Amine untersucht, die ihren Ursprung im Meerwasser haben, im Oberflächenfilm angereichert sind und die Aerosolbildung beeinflussen können.

Im Rahmen des SAW-Projektes MarParCloud ( Marine biologische Produktion, organische Aerosolpartikel und maritime Wolken: Eine Prozesskette) wird in einem kompakten Netzwerk- bestehend aus dem TROPOS, dem ZMT, dem IOW und den Universitäten Oldenburg und Hamburg - die gesamte Prozesskette von biologischer Produktion organischen Materials in den Ozeanen über dessen Export in marine Aerosolpartikel und schließlich deren Eigenschaften zur Bildung von Wolkentropfen und Eiskristallen untersucht werden. Dazu werden Laboruntersuchungen in der Meerwasserversuchsanlage des ZMT und in dem Seewasser-Außenbecken am ICBM durchgeführt. Weiterhin werden Feldexperimente am Cape Verde Atmospheric Observatory (CVAO) stattfinden. Die Modellierung im MarParCloud-Netzwerk führt die experimentellen Ergebnisse und abgeleiteten Parameterisierungen in einem Prozessmodell zusammen, welche nach Projektabschluss weiter verwendet werden.