Ziele
Es ist lange bekannt dass insbesondere Regenwälder große Mengen von Kohlenwasserstoffen abgeben (Isopren, Mono- und Sesquiterpene), welche über dem Waldbestand oxidiert werden und deren schwerflüchtige Produkte zur Partikelbildung beitragen [Hallquist et al., 2009]. Trotz des qualitativen Wissens über den Zusammenhang zwischen Kohlenwasserstoffemissionen von Pflanzen und der Bildung atmosphärischer Aerosole ist insbesondere die quantitative Beschreibung der zugrunde liegenden Prozesse noch sehr lückenhaft. Dabei haben Aerosolpartikel einen doppelten Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Zum einen tragen Aerosole über Streuung, Reflektion und Absorption von Sonnenlicht direkt zum Strahlungsbudget der wolkenlosen Atmosphäre bei. Darüber hinaus spielen Aerosole, eine essentielle Rolle bei der Wolkenbildung in der Troposphäre, indem sie als Kondensationskerne die Tröpfchenbildung schon bei relativ geringen Wasserdampfübersättigungen ermöglichen (Funktion als CCN, cloud condensation nuclei). Die Größe und Konzentration der CCNs sind deshalb von unmittelbarer Bedeutung für die Zahl der Wolkentröpfchen, welche ihrerseits das Reflektionsverhalten von Wolken beeinflusst. Hier liegt das wissenschaftliche Ziel des Vorhabens: Die grundlegenden Prozesse bei der Bildung organischer Aerosolpartikel in tropischen Regenwäldern aufzuklären.
Gerade in tropischen Regenwäldern bestimmen organische Verbindungen die Zusammensetzung von Aerosolpartikeln. Im Submikrometerbereich kann dieser Anteil bis zu 90 % der Aerosolmasse ausmachen, insbesondere durch die Bildung sekundärer organischer Aerosolpartikel (secondary organic aerosols (SOA)) aus der Oxidation biogen-freigesetzter Kohlenwasserstoffe [Chen et al., 2015]. Trotz der Häufigkeit organischen Materials und der Bedeutung dieser Partikel in der atmosphärischen Grenzschicht über Regenwäldern ist die molekulare Zusammensetzung weiterhin unzureichend verstanden [Andreae et al., 2015].
Stand der Wissenschaft und Technik
Insbesondere Isopren wird von der tropischen Vegetation in großen Mengen in die Atmosphäre freigesetzt. So ist die Gesamtfreisetzung dieses C5-Kohlenwasserstoffs genügend hoch (600 Tg yr-1), dass auch vergleichsweise kleine Aerosolausbeuten hier einen substantiellen Beitrag zur lokalen Aerosolbildung leisten. Eine besondere Bedeutung haben hier die NOx-Konzentrationen da sie die Aerosobildung massiv beeinflussen können [Liu et al., 2016]. Wie insbesondere im Gesamtantrag beschrieben, unterliegt das Amazonasgebiet großen Variationen der atmosphärischen Zusammensetzung mit sehr sauberen Bedingungen während der Regenzeit und hohen Einträgen anthropogener Luftschadstoffe (u.a. NOx) während der Trockenperiode (häufige Landnutzungsfeuer). Feldmessungen der biogenen SOA Beiträge zur Zusammensetzung der organischen Aerosolphase im Rahmen des ATTO-Projekts zu unterschiedlichen Perioden liefern Informationen zu den zugrundeliegenden chemischen Prozessen um schließlich die Freisetzung biogener Kohlenwasserstoffe unter diesen 'clean and pollued conditions' mit der Aerosolbildung in Verbindung zu setzen. Ein ebenfalls hochinteressanter Aspekt biogener SOA Bildung ist die Frage nach ihrem Beitrag zur Partikelneubildung (new particle formation). Hier liegt die Herausforderung bei der molekularen Identifizierung extrem schwerflüchtiger Substanzen (extremely low-volatile products (EL-VOCs)) aus der Oxidation von biogenen Kohlenwasserstoffen (durch größen-klassifizierte Partikelanalytik). Die geringen Konzentrationen dieser Substanzen, die ausreichen, um in die Partikelbildung einzugreifen verlangen hochempfindliche und sehr nachweisstarke analytische Verfahren (Ultraspurenanalytik). Daher liegt der Fokus dieses Arbeitspakets auf der chemischen Charakterisierung von organischen Komponenten im Submikrometeraerosol unter Einsatz massenspektrometrischer Methoden mit dem Ziel individuelle Markersubstanzen der verschiedenen Prozesse (‚clean‘ vs. ‚polluted‘, nucleation & growth) zu identifizieren und quantifizieren.