Feinstaubteilchen mit einem Durchmesser kleiner als 2,5 Mikrometer entstehen vorwiegend direkt durch Verbrennungsprozesse zum Beispiel in Kraftfahrzeugen oder Heizungen. Die Experten bezeichnen das als „primären Feinstaub“. Es gibt aber auch „sekundären Feinstaub“, und zwar wenn sich organische Substanzen in Gasform wie Schwefelsäure, Salpetersäure oder Ammoniak an winzige Nanopartikel anlagern und dadurch größere Teilchen heranwachsen.
Studie
“Rapid growth of new atmospheric particles by nitric acid and ammonia condensation“, Nature, 13.5.2020
Bisher war unklar, wie sich diese sekundären Feinstaubpartikel in den stark belasteten Ballungsräumen neu bilden können. Denn Berechnungen zufolge sollten sich die winzigen Teilchen eher an die reichlich vorhandenen größeren Partikel anlagern als neue zu bilden.
Schadstoffe in Straßenschluchten
Um die Entstehung sekundären Feinstaubs zu ergründen, haben Forscher und Forscherinnen im Atmosphären-Forschungsprojekt CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) am Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN in Genf (Schweiz) in einer Klimakammer Bedingungen wie in den Straßen von Mega-Cities nachgestellt. Dort kommt es in den Straßenschluchten durch die hohen Emissionen auf Straßenniveau und die geringe Luftzirkulation zu einer lokalen Erhöhung von Schadstoffen wie Ammoniak und Salpetersäure, die sich in der Straßenluft kurzzeitig stark anreichern.
In so hohen Konzentrationen können die beiden Schadstoffe an wenigen Nanometer kleinen Partikel kondensieren. Es bildet sich Ammoniumnitrat und die winzigen Nanopartikel legen innerhalb weniger Minuten sehr rasch an Größe zu und bilden stabile Aerosolpartikel. Das Wachstum erfolgt dabei teilweise einhundert Mal schneller als dies bisher von anderen Schadstoffen wie Schwefelsäure bekannt war.
Bildung von Feinstaub – aber nur im Winter
Dieser Prozess trägt damit in Ballungszentren deutlich zur Bildung von Feinstaub bei – das aber nur im Winter: Denn der Prozess läuft nur bei Temperaturen von weniger als etwa fünf Grad Celsius ab. „Bei wärmeren Bedingungen sind die Teilchen zu flüchtig und könnten daher keinen Beitrag zum Wachstum liefern“, so der Aerosolphysiker Paul Winkler von der Universität Wien in einer Aussendung.
Die Wissenschaftler vermuten, dass sich Aerosolpartikel aus Ammoniak und Salpetersäure gelegentlich auch in höheren Luftschichten der Atmosphäre bilden. Das vor allem durch landwirtschaftliche Aktivität entstehende Ammoniak gelangt dabei durch aufsteigende Luftströmungen in die obere Troposphäre. Salpetersäure wird durch Blitze aus dem Luftstickstoff gebildet. Bei den niedrigen Temperaturen in diesen Höhen „bilden sich neue Ammoniumnitratpartikel, die als Kondensationskeime bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen“, so der Ionenphysiker Armin Hansel von der Universität Innsbruck.
Seit rund zehn Jahren erforscht ein internationales Team von Forscherinnen und Forschern mit österreichischer Beteiligung im Experiment CLOUD am CERN, wie neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre aus Vorläufergasen gebildet werden und weiter zu Kondensationskeimen wachsen.