Flüssigphasenprozesse
Die chemischen Prozesse, die in der Atmosphäre ablaufen, finden in verschiedenen Phasen statt, und zwar in der Gas-, Flüssig- oder Partikelphase. Diese Reaktionen im Multiphasensystem sind für die Umwandlung und den Abbau von Spurengasen sowie für die Bildung neuer Partikel in der Atmosphäre von entscheidender Bedeutung. Eine zentrale Rolle spielen dabei Radikale wie zum Beispiel die Hydroxyl- (OH) und die Peroxyradikale. Diese entstehen vor allem durch photochemische Prozesse und wirken als „Reinigungsmittel“ der Atmosphäre, da sie organische Spurenstoffe oxidieren.
In der Gasphase führt die Oxidation flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) zur Bildung von weniger flüchtigen Produkten, welche anschließend in die Flüssigphase übergehen oder sich an bestehende Aerosole anlagern können, was zur sekundären Bildung von organischem Aerosol (Secondary Organic Aerosol (SOA)) führen kann.
In der flüssigen Phase, beispielsweise kleinen Tröpfchen aus Nebel oder Wolken, können Reaktionen stattfinden, die in der Gasphase entweder gar nicht oder nur sehr langsam ablaufen würden. Wasserlösliche organische Verbindungen werden durch gelöste Oxidationsmittel, wie etwa Wasserstoffperoxid oder Radikale, oxidiert.
Neben den Reaktionen innerhalb dieser Phasen spielen auch die Reaktionen an ihren Grenzflächen eine entscheidende Rolle. An diesen Grenzflächen findet der Stoffaustausch statt, und die Reaktionen sind dort oft effizienter als reine Gasphasen- oder Flüssigphasenreaktionen, da die Reaktanten dort lokal angereichert sind.
Diese Prozesse verändern die chemische Zusammensetzung in der Atmosphäre erheblich und beeinflussen damit sowohl die Luftqualität, das Klima als auch die menschliche Gesundheit. Zur Verbesserung des Verständnisses troposphärischer Multiphasenprozesse stehen am TROPOS in der Abteilung Chemie der Atmosphäre zahlreiche Laborexperimente zur Verfügung. Je nach Fragestellung der verschiedenen Projekte werden Prozesse untersucht, die in der Gas-, Flüssig- oder Partikelphase selbst stattfinden.
Laboranlagen wie Durchflussreaktoren oder Knudsenzellen können eingesetzt werden, um Phasentransferprozesse von gasförmigen Verbindungen an der Grenzfläche von Gas zu Flüssig-, Fest- oder Partikelphase zu erforschen.
Mithilfe von Experimenten in Flüssigphasen-Bulk-Reaktoren sowie in Laser- und Lampenphotolyseapparaturen werden Radikalreaktionen atmosphärisch relevanter Radikale und angeregter Zustände sowie deren Kinetik untersucht. Dabei werden beispielsweise •OH, NO3• und SOx•, sowie Triplettzustände organischer Verbindungen betrachtet. Darüber hinaus werden nichtradikalischen Reaktionen von Oxidationsmitteln, wie etwa Ozon und Wasserstoffperoxid, in wässriger Phase untersucht. Zur Qualifizierung und Quantifizierung der Reaktionsprodukte stehen zahlreiche analytische Methoden, wie beispielsweise die EPR-Spektroskopie, sowie andere Offline-Techniken zur Verfügung.