26. September 2017

Atmosphäre im Röntgenlicht

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Licht aus dem Teilchenbeschleuniger hilft Ozonabbau verstehen

Eine neue Experimentierkammer erlaubt Forschenden, Abläufe in der Atmosphäre im Labor nachzustellen und mit dem Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, einer Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts PSI, mit bisher unerreichter Präzision zu untersuchen. In ersten Experimenten haben Forschende des PSI damit im Detail gezeigt, wie Brommoleküle in der Luft gebildet werden. Diese spielen eine wesentliche Rolle beim Abbau von Ozon in den unteren Schichten der Atmosphäre. Mit ihren Ergebnissen leisten die Forschenden auch einen wichtigen Beitrag zu Modellen, mit denen die Veränderungen des Klimas und der Zusammensetzung der Luft erklärt und vorhergesagt werden. Die Experimentierkammer wird in Zukunft Forschenden aller wissenschaftlichen Fachrichtungen zur Verfügung stehen, die sich mit der Chemie der Atmosphäre oder auch mit anderen Themen in Energie- und Umweltforschung beschäftigen.

Ozon in der oberen Atmosphäre schützt uns vor gefährlicher UV-Strahlung, zu viel Ozon in unserer Atemluft kann hingegen unsere Gesundheit gefährden. Wenn nicht gerade Sommersmog herrscht, ist die Konzentration von Ozon in den unteren Schichten der Atmosphäre aber ungefährlich und weitgehend konstant. Denn die Prozesse, bei denen Ozon gebildet oder abgebaut wird, halten sich ungefähr die Waage. Dazu leisten Brom und verwandte chemische Elemente wie Chlor und Iod in der Luft einen wesentlichen Beitrag: Global gesehen sind sie für rund 50% des Ozonabbaus verantwortlich.

Für die Entstehung von Brom in der Atmosphäre ist wiederum Ozon mitverantwortlich. Denn das Brom bildet sich, wenn Bromid, das im Meerwasser enthalten ist, mit Ozon aus der Luft in Berührung kommt. Das geschieht an der Meeresoberfläche oder auch an der Oberfläche kleiner Tröpfchen (Feinstaub), die bei der Gischt-Bildung entstehen. Weil 70% der Erde von Ozeanen bedeckt ist, geschieht dies global gesehen in grossem Massstab. Nun haben Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI als erste Details dieser wichtigen chemischen Reaktion bestimmt. Dafür haben sie in einer neuen Experimentierkammer die Vorgänge an der Wasseroberfläche nachgestellt und mit Hilfe von Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI untersucht. Theoretische Berechnungen, die von Forschenden an Instituten in der Schweiz, den USA und in Katar durchgeführt wurden, haben bei der Interpretation der Messergebnisse geholfen.

Weltweit einzigartige Forschungsmöglichkeiten

Die SLS ist eine Grossforschungsanlage, die besonders intensives Röntgenlicht erzeugt, dessen Eigenschaften genau an die Bedürfnisse verschiedener Experimente angepasst werden können. Herzstück der Anlage ist ein kreisförmiger Teilchenbeschleuniger mit rund 288 Metern Umfang. Mit dem Röntgenlicht der SLS lassen sich einzelne Substanzen sehr präzise nachweisen – auch wenn sie nur sehr kurz existieren. Wir konnten zeigen, dass während der chemischen Reaktion an der Wasseroberfläche für kurze Zeit eine Verbindung von Bromid und Ozon entsteht, die zwar theoretisch vorhergesagt worden war, aber bisher nicht beobachtet werden konnte, so Luca Artiglia, der verantwortliche Wissenschaftler. Markus Ammann, Leiter der Forschungsgruppe Oberflächenchemie am PSI erklärt: Diese Ergebnisse helfen nicht nur, die Bromchemie in der Atmosphäre zu verstehen, sie werden auch in zukünftige atmosphärische Modelle einfliessen und so zum Verständnis der Entwicklung des Klimas und der chemischen Zusammensetzung der Luft beitragen. Gleichzeitig zeigen sie, dass die von den Forschenden aufgebaute, weltweit einzigartige Experimentierkammer tatsächlich die erwarteten Einblicke ermöglicht. In Zukunft wird die Kammer auch anderen Forschenden zur Verfügung stehen, die Abläufe an Oberflächen im Kontext von Energie- und Umweltforschung untersuchen, betont Artiglia.

Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki

Hintergrund: Die neue Experimentierkammer im Detail

Die besondere Herausforderung beim Aufbau des Experiments lag darin, dass die verwendete Untersuchungsmethode einerseits erfordert, dass sich die untersuchte Probe im Vakuum befindet. Andererseits verdampft Wasser im Vakuum unweigerlich und der Wasserdampf breitet sich aus. Kurz gesagt: Ein Vakuum verträgt sich eigentlich nicht mit der Untersuchung von Wasser und Luft. Die Forschenden entwickelten hierfür aber einen technischen Kompromiss.

Bei der verwendeten Methode handelt es sich um die Photoelektronenemissionsspektroskopie. Bei diesem Verfahren stösst das Röntgenlicht der SLS einzelne Elektronen aus der Probe heraus, die dann von einem Detektor nachgewiesen werden. Dabei ist wichtig, dass die Elektronen auf ihrem Weg zum Detektor möglichst nicht mit Luftmolekülen kollidieren.

In ihrem Experiment stellen die Forschenden die Energie des verwendeten Röntgenlichts auf einen bestimmten Wert ein und untersuchen jeweils, wie die Anzahl der herausgeschlagenen Elektronen von deren Geschwindigkeit abhängt. Da Elektronen in verschiedenen Substanzen unterschiedlich stark gebunden sind, lässt sich so bestimmen, welche Substanzen in der Probe enthalten sind. „Weil nur Elektronen aus einer Tiefe von wenigen Nanometern (millionstel Millimeter) gemessen werden können, ist die Methode sehr empfindlich für die chemische Zusammensetzung der Oberfläche“, erläutert Ammann.

In unserem Experiment lassen wir das Wasser mit dem gelösten Bromid als einen zehntausendstel Millimeter dünnen Wasserstrahl durch unsere Experimentierkammer hindurchströmen – mit rund 100 Metern pro Sekunde! Das ist so schnell, dass das Wasser kaum die Zeit hat zu verdampfen, erklärt Artiglia. Dann schalten wir einen Luftstrom mit einer definierten Menge Ozon dazu. So lösen wir die gleichen chemischen Reaktionen aus, wie sie an der Meeresoberfläche oder am vom Meer stammenden Feinstaub stattfinden. Kurz danach trifft das Röntgenlicht der SLS auf den Wasserstrahl, und mit dem Detektor können so die Substanzen an der Wasseroberfläche nachgewiesen werden, die dort gerade eben entstanden sind.


Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.
(Stand 05/2017)
Kontakt/Ansprechpartner
Prof. Dr. Markus Ammann
Leiter der Forschungsgruppe Oberflächenchemie
Paul Scherrer Institut PSI, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 40 49; E-Mail: markus.ammann@psi.ch
Originalveröffentlichung
A surface-stabilized ozonide triggers bromide oxidation at the aqueous solution-vapour interface
Luca Artiglia, Jacinta Edebeli, Fabrizio Orlando, Shuzhen Chen, Ming-Tao Lee, Pablo Corral Arroyo, Anina Gilgen, Thorsten Bartels-Rausch, Armin Kleibert, Mario Vazdar, Marcelo Andres Carignano, Joseph S. Francisco, Paul B. Shepson, Ivan Gladich, and Markus Ammann
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-017-00823-x