der arktischen und antarktischen Troposphär 2.2.1 Theorie der Aerosole
Aerosole sind definiert als feste oder flüssig Partikel in der Atmosphäre Der Durchmes- ser dieser Partikel variiert zwischen 0.002 pm und 10 pm, wobei der untere Bereich flie- ßen in die molekularen Größenordnung übergeht Die obere Grenze ist durch die kurze Lebensdauer, bedingt durch rasches Sedimentieren der große Aerosole, gegeben (Finlayson-Pitts und Pitts, 1986). Bei der Definition des Durchmessers bzw. der Radien von Aerosolen wird näherungsweis eine sphärisch Form angenommen. Das heißt die aerodynamischen oder optischen Eigenschaften werden so behandelt, als wenn es sich um sphärisch Partikel handeln würd (Hinds, 1982). Ausgehend von den Durchmessern werden Aerosole nach Whitby (1973) in drei Größenklass eingeteilt:
Nukleations Mode oder Aitken-Kerne < 0.08 pm Durchmesser Akkumulations Mode 0.08- l p m Durchmesser
Coarse Mode > l p m Durchmesser
Der Nukleations Mode wird überwiegen durch homogene Nukleation gebildet. Unter homogener Nukleation versteht man die Bildung neuer Partikel durch Kondensation aus der Gasphase heraus. Koagulation oder Kondensation führe zum Akkumulations Mode.
Bei der Koagulation bilden sich durch Kollision der Aerosole neue größe Partikel, wäh rend die Kondensation als Prozeà bezeichnet wird, bei dem Substanzen aus der Gasphase heraus auf bereits vorhandenen, artfremden Partikeln aufkondensieren. Partikel im Coarse Mode entstehen durch mechanischen Einfluß wie z.B. durch Erosion von Gestei- nen.
GT-oj'enverteilung der Aerosole
Übe die Messung der Teilchendichteverteilung ist es möglich andere Eigenschaften des
Aerosols wie die Volumendichte-, die Massendichte- und die Oberflächendichtevertei lung zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird die gemessene Verteilung annähern durch möglichs einfache mathematische Funktionen beschrieben. Eine der häufigste Metho- den ist die Verwendung der Log-Normal-Verteilung (G2), da diese gut zu handhaben ist (Finlayson-Pitts und Pitts, 1986). Besitzt diese Funktion Maxima, so werden sie als Mo- den bezeichnet. Diese Moden bilden sich durch unterschiedliche Herkunft, chemische Ei- genschaften und Sedimentationsprozesse der Aerosole aus. Eine trimodale Verteilung entspricht einem Nukleations Mode, einem Akkumulations Mode und einem Coarse Mo- de. In der Praxis könne jedoch meßtechnisc bedingt nie mehr als zwei Moden gleich- zeitig beobachtet werden.
- -
dN - {N' (27c)ll2 lno} exp {-(lnD-lnDg)2/2(lno)2}
d l n D
N = Anzahl der Teilchen pro Großeninterval N' = Totale Anzahl an Teilchen
Å = Geometrische Standardabweichung
Da = Geometrischer mittlerer Teilchendurchmesser D = Teilchendurchmesser
Aus der Log-Normal-Verteilung (G2) kann auf diese Weise die Teilchengrößenverteilu mit f (1nD) = - dN dargestellt werden. Die Oberflächen und Massenverteilung sind je-
d l n D
doch auch von Interesse, besonders wenn man Reaktionen von gasförmige Substanzen an Oberfläche betrachtet. Aus der Teilchenverteilung ergibt sich unter der Annahme sphärische Partikel die Massenverteilung: Quellen der Aerosole in polaren Gebieten
Die polaren Gebiete Arktis und Antarktis stellen noch durch anthropogene Emissionen re-
lativ unbelastete Gebiete dar, was sich in den Aerosoleigenschaften widerspiegelt.
In der Nordhemisphär ist die Arktis besonders im Sommer von den angrenzenden indu- strialisierten Regionen durch die nordwärt verlagerte Polarfront abgeschnitten. Erst zum Winter hin verlagert sich die Front südwär und schließ die nördliche Regionen der an- grenzenden Kontinente mit ein. Belastete Luftmassen könne auf diese Weise nach Nor- den dringen und die atmosphärisch Zusammensetzung beeinflussen. Die vier Hauptquellen fü Aerosole in der Arktis sind die angrenzenden Kontinente Ostasien, Nord-Ost-Amerika, Eurasien sowie der arktische Ozean. Quellen der antarktischen Ae- rosole sind hauptsächlic die umgebenden Ozeane Südatlantik Südpazifi und der südli che Indische Ozean.
Mineralische Aerosole
Die Kontinente liefern mineralische Aerosole im Größenberei von 0.1-5 Fm. Aerosole in diesem Größenberei könne übe weite Strecken transportiert werden. Quellen die- ser mineralischen Aerosole sind mechanische Verwitterung von Gesteinen sowie Zerstö
rung durch chemische Modifikation. Auf diese Weise bilden sich aus dem Ks~~stenmaterial der Erde Tonmineralien, Quarzsand, Karbonate und Staubpartikel. Sie gelangen durch Windkraft in die Atmosphäre Hauptbestandteil der kontinentalen Aero- sole sind die Wüsten-Aerosole
Seesalz-Aerosole
Das Aerosolspektrum ist durch den Einfluà des Ozeans charakterisiert. Seesalz-Aerosole gelangen als sogenannte Film-Tropfen und Jet-Tropfen in die Atmosphäre Bei ausrei- chend hohen Windgeschwindigkeiten bilden sich beide in den Schaumkronen der sich brechenden Wellen. Die Tropfen entstehen durch Zerplatzen von Luftblasen beim Errei- chen der Wasseroberfläche Jet-Tropfen werden durch freiwerdende kinetische Energie in Form einer Tropfenfontän aus dem Wasser herausgeschleudert. Die kinetische Energie entsteht aus der, beim Zerplatzen der Luftblasen freiwerdenden, Oberflächenenergie Sie enthalten Wasser aus der direkten Umgebung der Blase und sind somit nur zum Teil mit organischem Material angereichert. Anders ist es bei den Film-Tropfen. Sie entstehen beim Zerplatzen an der Phasengrenze Tropfen-Mikroschicht der Meeresoberfläche Da sich in der Mikroschicht oberflächenaktives organisches Material anreichert, wird dieses von den Film-Tropfen mitgerissen. Der Salzgehalt ist bei Film- und Jet-Tropfen annä
hernd gleich. Jet-Tropfen sind wesentlich größ als Film-Tropfen. Ihre Gröà beträg ca.
15% der ursprüngliche Blase (Warneck, 1988).
Sulfat-Aerosole
Sulfat-Aerosole spielen ebenfalls eine wichtige Rolle in der polaren Troposphäre Sie be- sitzen sowohl natürlich als auch anthropogene Quellen. Die Verbrennung fossiler Brenn- stoffe stellt die Hauptquelle anthropogener Sulfat-Aerosole dar. Bei diesem Prozeà wird der Schwefel zu mindestens 90% in Form von Schwefeldioxid (SO21 in die Atmosphär eingebracht (Finlayson-Pitts und Pitts, 1986). SO2 kann entweder durch OH-Radikale oder durch Flüssigphasenoxidatio bei Anwesenheit von Aerosolen, Nebel, Wolken und Regen zu Schwefelsäur oxidiert werden (Finlayson-Pitts und Pitts, 1986). Anschließen de homogene Nukleation und Kondensation an Aerosolen, wie z.B. Seesalz-Aerosolen, führe zur Bildung von Schwefelsäure-Aerosole bzw. schwefelsäurehaltige Aerosolen.
Aus anthropogenen Quellen der belasteten Gebiete der Nordhemisphär erfolgt der Transport vorwiegend im Winter in den Norden. Dort sind die Schwefelsäuretröpfch ein wichtiger Bestandteil des 'Arctic Haze'.
Die Quellen der natürliche Emissionen aus Wasser, Boden und Vegetation stellen haupt- sächlic reduzierte Schwefelkomponenten wie Schwefelwasserstoff (H2S), Dimethyl- sulfid (CH3SCH3), Carbonylsulfid (COS) und Schwefelkohlenstoff (CS2) dar (Finlayson-Pitts und Pitts, 1986). Dimethylsulfid (DMS) liefert in marinen Regionen den Hauptteil der natürliche Schwefelverbindungen. DMS wird von Algen produziert und gelangt auf diesem Weg in die Atmosphäre wo es übe verschiedene chemische Zwi- schenstufen, zum größt Teil durch OH-Radikale, zu Schwefelsäur oxidiert wird.
Sind diese Aerosole in die Atmosphär gelangt, stellt sich relativ schnell ein Gleichge- wicht bezüglic des Feuchtegehaltes mit der Umgebung ein. Die vertikale Verteilung ist bis zur Wolkengrenze relativ homogen.
Die charakteristischen Radien dieser Aerosole sind nach Koepke (1994) bei 0% relativer Feuchte:
Die Entfernung der Aerosole aus der Troposphär erfolgt nach drei Mechanismen: Ko- agulation, nasse Deposition und Sedimentation. Die Hauptsenke des Nukleations Mode
ist die Entfernung aus der Atmosphär durch Koagulation zu größer Teilchen. Die Le- bensdauer der Teilchen ist durch diesen Prozeà auf etwa 1-2 Tage begrenzt (Roedel, 1992). Die Verweilzeit von Aerosolen im Akkumulations Mode, hauptsächlic bedingt durch nasse Deposition, beträg bis zu 10 Tagen in der Atmosphär (Roedel, 1992). Die Lebensdauer der Aerosole im Coarse Mode ist vergleichbar mit der im Nukleations Mode. Die Entfernung ist jedoch hauptsächlic durch Sedimentation bestimmt (Roedel, 1992).
2.2.2 Chemische Zusammensetzung
der arktischen und antarktischen Troposphär
Die chemische Zusammensetzung der antarktischen und arktischen Troposphär ist sehr unterschiedlich. Die arktische Troposphär ist durch die umgebenden Kontinente wesent- lich stärke anthropogen beeinfluß als die antarktische. Hauptindikator fü anthropoge- nen Einfluà in der Arktis ist der sogenannte 'Arctic Haze'. Der 'Arctic Haze' wurde erstmals um 1950 als Dunst-Schicht in der Troposphär registriert. Hauptbestandteil die- ser Schicht ist Schwefel in Form von Sulfat-Aerosolen, welche als Schwefeldioxid (SO*) iiberwiegend vom eurasischen Kontinent in die Arktis transportiert werden (Shaw, 1995).
Das Maximum des ' Arctic Haze' liegt im Spätwinte bis Anfang Frühling das Minimum im Sommer und Herbst. Durch die mittlere Lage der Polarfront im Winter könne anthro- pogen belastete Luftmassen in die zentrale Arktis transportiert werden und sich dort wäh rend der Polarnacht akkumulieren. Begünstig wird diese Akkumulation durch komplette Dunkelheit währen der Polarnacht, eine stabil geschichtete Atmosphär und somit gerin- s e vertikale Turbulenz und verminderte Deposition der Aerosole durch geringen Nieder-
"
schlag (Shaw. 1995). Die Größenverteilu der 'Arctic Haze'- Bestandteile ist charakteristisch fü den Akkumulations Mode der Aerosole, d.h. fü den Durchmesserbe- reich zwischen 0,08 p m und 1 Pm. Etwa 62% dieser Partikel bestehen aus anthropogenen Sulfat-Aerosolen (Staebler et al., 1994). Der Jahresgang der Aerosole im Akkumulations Mode fü ~ ~ - A l e s u n d ist in Abb. 2.2 an Hand von Tagesmitteln dargestellt.
Die Abbildung zeigt deutlich ein Maximum der Aerosole im MärzIApri 1994 und von Januar bis Mär 1995, entsprechend dem Auftreten des 'Arctic Haze' sowie ein Minimum im September 1994.
Weitere Hauptbestandteile des arktischen Aerosols sind Seesalz-Aerosole, mit einem Ma- ximum im Dezember, und photochemische Komponenten wie Bromid und Sulfat aus na- türliche biologischen Quellen, mit Maximum im arktischen Frühlin (Barrie und Barrie, 1990). Bromid wird aus halogenierten Kohlenwasserstoffen, produziert von Al- gen, gebildet. Biogenes Sulfat entsteht Überwiegen durch Oxidation von Dimethylsulfid (DMS), welches ebenfalls von Algen an die Atmosphär abgegeben wird.
2.3 Klimatologie des arktischen und antarktischen troposphärische Ozons