Aerosol

Ein Aerosol [aeʁoˈzoːl] ist ein Gemisch aus festen oder/und flüssigen Schwebeteilchen und Luft. In seltenen Fällen dienen auch andere Gase als Träger. Das Verhalten eines Aerosols hängt immer von den Teilchen und dem Trägergas ab. Die Schwebeteilchen heißen Aerosolpartikel oder Aerosolteilchen. Ein Aerosol ist ein dynamisches System und unterliegt ständigen Änderungen durch Kondensation von Dämpfen an bereits vorhandenen Partikeln, Verdampfen flüssiger Bestandteile der Partikel, Koagulation kleiner Teilchen zu großen oder Abscheidung von Teilchen an umgebenden Gegenständen.

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Arten, Entstehung und Vorkommen

Allgemein

Aerosole lassen sich auf verschiedene Weisen in Kategorien einteilen. Kriterien können die Entstehung der Aerosolteilchen, ihre Materialeigenschaften (fest oder flüssig) oder ihre Wirkung (Kondensationskeime) sein. Prinzipiell ist der Übergang zwischen allen solchen Kategorien fließend.

Aerosole können ebenso wie Staub auf viele unterschiedliche Weisen entstehen. In der Meteorologie sind Kondensationsaerosole von großer Bedeutung. Deren Teilchen bilden sich spontan durch Kondensation oder Desublimation aus übersättigten Gasen.

In Abhängigkeit von dem Ursprung der Teilchen lässt sich zwischen primären und sekundären Aerosolen unterscheiden. Die Teilchen der primären Aerosole stammen meistens aus mechanischen oder thermischen Prozessen. Bei den sekundären Aerosolen haben sich die Teilchen aus gasförmigen Stoffen durch chemische Reaktion und/oder durch Anlagerung der Reaktionsprodukte an Kondensationskerne gebildet.

Aerosole findet man in vielen Bereichen unserer Umgebung:

• Staub in der Raumluft,
• Zigarettenrauch,
• Nebel aus einer Spraydose,
• Ruß oder Ölqualm aus einem Autoauspuff,

usw.  

Unsere Atmosphäre enthält stets Aerosole unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Konzentration. Dazu zählen:

• natürliche organische Anteile: Pollen, Sporen, Bakterien
• natürliche anorganische Anteile: Staub, Rauch, Seesalz, Wassertröpfchen
• vom Menschen eingebrachte Verbrennungsprodukte wie Rauch, Asche oder Stäube
• vom Menschen hergestellte Nanopartikel.

Die Konzentration eines Aerosols nimmt mit der Höhe ab; in 10 km Höhe findet man in der Regel nur noch ein Zehntausendstel des Bodenwertes von etwa 2 · 10⁻⁶ Kilogramm Aerosol pro Kilogramm Luft. Insbesondere Vulkanausbrüche können zu sehr hohen Konzentrationen von Aerosolen in der Atmosphäre führen, die das Wetter beeinflussen.

Aerosole werden jedoch durch Windturbulenzen ständig neu von der Bodenoberfläche mobilisiert und in Abhängigkeit von Windrichtung und Windstärke großflächig verteilt, was bei besonders belasteten Böden deren Umgebung mit kontaminieren kann. Besonders dramatisch zeigt sich dies bei radioaktiven Wolken, welche sehr gefährliche Aerosole mit sich führen und so auch im Zuge der Katastrophe von Tschernobyl am 26. April 1986 beziehungsweise in der darauf folgenden Woche große Teile Europas verstrahlten.

Verbreitung

Aerosolpartikel sind sehr kleine Mikropartikel, die überall in der Luft vorkommen. Sie sind so klein, dass sie einzeln mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Sichtbar werden sie nur, wenn sie in einer sehr großen Konzentration in der Luft vorkommen, ab etwa 1.000.000 Partikel/cm³. Dies nimmt man als so genannten Smog wahr. Der Durchmesser der Partikel liegt zwischen 0,5 nm und 100 nm. Es gibt auch Partikel, die sich in größeren Spektren befinden, wie zum Beispiel größere Pollen. Da sie an der Gesamtmenge der Aerosole einen geringen Anteil haben, sind sie von minderer Bedeutung, spielen jedoch auch eine gewisse Rolle in Bezug auf gesundheitliche Aspekte (Allergien).

Aerosolpartikel beginnen ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit Tröpfchen zu bilden, das Wasser in der Luft kondensiert an den Partikeln. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto größer werden die Tröpfchen. Bei einer hohen Luftfeuchtigkeit werden so die Tröpfchen immer größer und stoßen auch zusammen, es kommt zur Wolkenbildung, und letztendlich zum Regen. Man nennt Aerosolpartikel deshalb auch Wolkenkondensationskeime. Die Konzentration der Partikel ist je nach Ort unterschiedlich. Am geringsten ist sie über den Polen der Erde. Hier beträgt die Konzentration nur etwa 35 Partikel/cm³. Über ländlichen Gebieten beträgt die Konzentration etwa 2.000 – 20.000 Partikel/cm³ und in Städten sogar 100.000 bis 1.000.000 Partikel/cm³. Bei solchen Werten ist durchaus verständlich, das Aerosolpartikel auch eine große Rolle für die Gesundheit und das Klima spielen.

Teilchenarten und deren Herkunft

Aerosolpartikel haben viele unterschiedliche Zusammensetzungen, was auch auf die Eigenschaften sowie auf die Herkunft der Partikel schließen lässt. Einzelne Moleküle sind die kleinsten Partikel, sehr selten größer als 1 nm. Sie entstehen meist bei Verbrennungen, aber auch als Stoffwechselprodukt von Pflanzen und Tieren, zum Beispiel Terpene. Sie reagieren in der Atmosphäre schnell mit anderen Molekülen, oder sogar mit größeren Partikeln. Moleküle zählen aber erst dann zu den Aerosolpartikeln, wenn sie groß genug sind, und einen festen Aggregatzustand aufweisen. Um diese Bedingung erfüllen zu können, müssen sich mehrere Moleküle zu einem Partikel verbinden.

Hochofenausstöße bestehen zum größten Teil aus Ruß, aber auch aus verschiedenen Sulfaten und Nitraten. Das Größenspektrum dieser Partikel liegt zwischen 1 und 1.000 nm. Sie entstehen zum Beispiel bei der Verhüttung von Metallen oder als Ausstoß von Kohlekraftwerken, aber auch durch Autoabgase. Das Größenspektrum dieser Aerosolpartikel ist deshalb so groß, da eine Verbrennung nie sauber ist und es so auch zu verhältnismäßig großen Rußpartikeln kommt.

Ähnlich wie bei Hochofenausstößen bestehen Rauchpartikel zum größten Teil aus Ruß. Sie entstehen unter anderem bei offenen Feuern und Waldbränden.

Partikel aus Mineralstaub sind vor allem auf die Erosion von Gesteinen zurückzuführen. Sehr viele Mineralstaubpartikel entstehen zum Beispiel bei Sandstürmen.

Aerosolpartikel aus Meersalz entstehen, wenn durch den Wind kleine Salzwassertröpfchen vom Meer aufgewirbelt werden. Das Wasser verdunstet anschließend, und zurück bleibt ein Meersalzpartikel.

Biologische Aerosole sind Pollen, Algen, Pilzsporen, Bakterien und Viren, Zellorganellen und Ausscheidungen. Diese Art von Aerosolpartikeln umfassen ein sehr großes Größenspektrum. Während manche Pollen so groß sind, dass man sie schon mit dem bloßen Auge sehen kann, gibt es auch Mikroviren, die manchmal sogar kleiner als 10 nm sind. Es gibt sogar sehr kleine Viren und Bakterien, die sich als Aerosolpartikel in der Atmosphäre befinden. Ihre Anzahl ist aber sehr klein. Es wird auch untersucht, ob diese Mikroviren und Mikrobakterien Einfluss auf die Gesundheit des Menschen haben können.

Es gibt allerdings noch sehr viele weitere Arten von Aerosolpartikel. Manche sind radioaktiv, andere bestehen aus Edelmetallen, und wiederum andere sind noch nicht einmal von unserem Planeten. Um die Herkunft eines bestimmten Partikels genau zu bestimmen, bedarf es einer sehr genauen Analyse der Inhaltsstoffe. Während ihrer Zeit als Aerosol verändern sich die Partikel auch ständig. Wenn Wasser an den Partikeln kondensiert und die vielen kleinen Tröpfchen immer Größere bilden, reagieren viele Aerosolpartikel miteinander, oder es werden chemische Vorgänge in der Luft katalysiert, welche die Zusammensetzungen der Partikel verändern.

Eigenschaften

Die Eigenschaft von Aerosolen, längere Zeit mit Gasen transportiert werden zu können liegt darin, dass sie sich mit kleiner werdendem Durchmesser immer mehr wie Gas-Moleküle verhalten. Oder - aus Sicht der Aerodynamik - verringert sich das Volumen und damit die Masse in der dritten Potenz, wohingegen die Querschnittsfläche nur um die zweite Potenz schrumpft. Durch den Luftwiderstand haben Aerosole eine maximale Sinkgeschwindigkeit, die beim Gleichgewicht von Gravitationskraft und Luftreibung erreicht wird. Bezogen auf die maximale Sinkgeschwindigkeit bedeutet die Halbierung des Durchmessers eines Partikels, eine Verringerung der Masse und damit der Gravitationskraft um den Faktor 8 und die der Querschnittsfläche und damit die Luftreibungskraft um den Faktor 4. Da die Luftreibungskraft quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt, folgt daraus für die maximale Sinkgeschwindigkeit, dass bei Halbierung des Partikeldurchmessers die Sinkgeschwindigkeit mit den Faktor abnimmt.

Messung

Aerosolkonzentrationen werden mit Kernzählern bestimmt. Hierbei lässt man im einfachsten Fall eine bestimmte Luftmenge auf eine dünne Vaselineschicht einwirken und wertet diese hiernach mikroskopisch aus. Dabei unterscheidet man in Abhängigkeit von der Korngröße nach Aitken-Kernen (0,01 bis 0,1 µm), großen Kernen (0,1 bis 2 µm) und Riesenkernen (>100 µm).

Weitere Messmethoden, bei denen Teilchen zur Wägung abgeschieden werden, sind Impaktoren oder Zentrifugen. Man kann Aerosolpartikel in einem Luftstrom aber auch mit Hilfe einer radioaktiven Quelle (meist Krypton-85 oder Americium-243) definiert elektrisch aufladen und in einem DMA (Differential Mobility Analyser) nach Größenklassen sortiert detektieren. Als Detektoren kommen dabei entweder Kondensationskernzähler (Condensation Particle Counter – CPC) in Frage, bei denen Partikeln durch heterogene Kondensationsprozesse vergrößert und anschließen optisch detektiert werden, oder aber elektrische Detektoren, wie das Faraday Cup Electrometer (FCE).

Außerdem können Aerosolpartikel mit optischen Methoden vermessen werden. Das integrierende Nephelometer dient dazu das gesamte von Aerosolpartikeln in einem Referenzvolumen gestreute Licht (einer bestimmten Wellenlänge) zu detektieren, polare Nephelometer analysieren das gestreute Licht zusätzlich je nach Streuwinkel. Einzelpartikelzähler analysieren das Streulicht einzelner Aerosolpartikel in einem Luftstrom und können so eine Größenverteilung liefern.

LIDAR-Systeme analysieren das „Lichtecho“ von in die Atmosphäre gesendeten Laserpulsen. Gemäß der Intensität und dem zeitlichen Abstand zum ausgesendeten Lichtpuls kann man die Aerosolschichtung in der Atmosphäre über mehrere Kilometer analysieren.

Die über die gesamte Atmosphäre integrierte Aerosol Optische Dicke (Angström Koeffizienten) lässt sich durch verschiedene fernerkundliche Verfahren ihrer raum-zeitlichen Verbreitung kartieren. Dazu sind Annahmen bezüglich der Reflexionseigenschaften der Erdoberfläche zu treffen (zum Beispiel: Reflexion tiefer klarer Wasserflächen im nahen Infrarot ist gleich null). Solche Verfahren werden in der Fernerkundung eingesetzt, um die vom Satelliten aufgenommenen Bilder zu korrigieren.

Bedeutung

Wetter und Klima

Die wichtigste Rolle für das Wetter spielen hygroskopische Aerosole welche als Kondensationskerne fungieren und so die Tropfen- beziehungsweise Wolkenbildung anregen. Aus diesem Grund setzte man lange Zeit auch Silberiodid und andere Chemikalien ein, um eine künstliche Wolkenbildung hervorzurufen. Besonders bei Hagelgefahr sollen die Hagelflieger auf diese Weise besonders „gefährliche“ Wolkenformationen entschärfen. Die Abwesenheit von Aerosolen wird in Nebelkammern genutzt und führt hier zu Übersättigung des Wasserdampfs von bis zu 800 Prozent.

Unklar ist derzeit noch die Rolle der Aerosole für das Klima beziehungsweise den Klimawandel. Durch anthropogene Emissionen zeigen sich vor allem lokal teilweise sehr große Konzentrationssteigerungen und eine umfassende Luftverschmutzung (Smog). Diese kann den Strahlungshaushalt der Erde direkt oder indirekt (Wolkenbildung) beeinflussen und ist daher ein aktueller Schwerpunkt vieler Forschungsvorhaben.

Wirkung auf die Wolkenbildung

Ihre wichtigste Rolle kommt den Aerosolpartikel bei der Bildung von Wolkentröpfchen zu. Die Fähigkeit als Kondensationskern zu wirken hat jeder Partikel, allerdings wird die Intensität dieser Fähigkeit durch die Zusammensetzung und die Größe des Partikels bestimmt. Je größer ein Partikel ist, desto mehr wasserlösliche Einzelkomponenten sind in ihm enthalten. Es ist somit mehr hydrophile Masse vorhanden, die Wasserdampf am Partikel kondensieren lässt. Bei Aerosolpartikeln, in denen keine hydrophilen Komponenten enthalten sind, wie zum Beispiel bei Ruß, kommt es auf die Oberfläche des Partikels an, wie gut Wasserdampf an ihm kondensieren kann. Je größer die Oberfläche des Aerosolpartikels, desto mehr Wasser kann an ihm kondensieren. Größere Partikel bilden früher Wolkentröpfchen als kleinere. Es kommt aber auch auf die Zusammensetzung der Partikel an. Wolkenkondensationskeime aus hydrophilen Mineralsalzen, wie zum Beispiel Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat können schon ab 70 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden, während hydrophobe Rußpartikel erst bei einer Luftfeuchtigkeitsübersättigung, also bei über 100 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden. In der Regel bilden ab 103 % Luftfeuchtigkeit alle Aerosolpartikel Tröpfchen. Gäbe es keine Aerosolpartikel, so bräuchte man bis zu 300 % Luftfeuchtigkeit, um eine Tröpfchenbildung herbeizuführen. In der Regel ist in Verbindung mit Aerosolpartikeln immer von relativer Luftfeuchtigkeit die Rede. Es wird auch untersucht, wie die Konzentration der Partikel auf die Wolkenbildung wirkt. Sobald die Wolkenkondensationskeime Tröpfchen bilden, sinkt die Luftfeuchtigkeit, da das zuvor in der Luft gelöste Wasser an den Partikeln kondensiert hat. Wird die Luftfeuchtigkeit also geringer, hören die Tröpfchen irgendwann auf zu wachsen, da nicht mehr genügend Wasser in der Luft vorhanden ist. Sind also wenig Partikel in der Luft vorhanden, bilden sich große Tröpfchen, die dann mit großer Wahrscheinlichkeit auch zusammenstoßen, es kommt schnell zu Regen. Sind aber sehr viele Partikel vorhanden, bilden sich nur kleine Tröpfchen, deren Wahrscheinlichkeit zusammen zu stoßen gering ist. Es bildet sich eine sehr große Wolke, die aber kaum, wenn überhaupt Regen abgibt. Dies wird oft bei Waldbränden beobachtet. Diese so genannten Pyrowolken wachsen manchmal bis zur Stratosphäre heran.

Wirkung auf das Klima

Bei Konzentrationen von durchschnittlich 10.000 Partikeln/cm³ Luft haben Aerosolpartikel auch großen Einfluss auf das Klima. Sie haben jedoch nichts mit dem Treibhauseffekt zu tun, da für den Treibhauseffekt ausschließlich Gase verantwortlich sind. Wie genau Aerosole auf unser Klima wirken, ist noch nicht genau erforscht, da sie in vielen Bereichen wirksam sind. Die wichtigste klimatologische Eigenschaft der Partikel ist, ob diese Sonnenlicht absorbieren und dabei Wärme freisetzen (wie zum Beispiel Ruß), oder ob sie das Licht reflektieren oder brechen, wie zum Beispiel Salzpartikel. Dies kann auch in speziellen Geräten untersucht werden. Die Partikel werden hier mit UV-Licht bestrahlt, gleichzeitig wird gemessen, wie viel Licht die Partikel reflektieren, brechen oder absorbieren (also in Wärme umwandeln). Es kommt aber nicht nur auf diese Eigenschaften an sich an, sondern auch wo sie sich auswirkt. In der Troposphäre sorgen Rußpartikel zum Beispiel für Temperaturanstieg, da sie das Sonnenlicht absorbieren und somit Wärmestrahlung abgeben. In der Stratosphäre hingegen fangen sie durch ihre Absorption das Licht ab, sodass weniger UV-Licht die Troposphäre erreicht, die Temperatur in der Troposphäre sinkt. Genau umgekehrt ist dieser Effekt bei Mineralpartikeln. Sie sorgen in der Troposphäre für deren Abkühlung, während sie für deren Erwärmung verantwortlich sind, wenn sie sich in der Stratosphäre befinden. Aerosolpartikel beeinflussen das Klima in einem sehr kompliziertem System. Allein schon die Eigenschaft der Wolkenbildung hat einen sehr großen Einfluss auf das Klima. Man könnte sogar meinen, dass dieses System auch der Erderwärmung entgegenwirken kann, da es durch die Erwärmung zur Verdunstung von mehr Wasser führen kann, es entstehen mehr Wolken, die wiederum die Troposphäre abkühlen. Es gibt in Hinsicht darauf viele Thesen, und die Wissenschaftler sind sich noch lange nicht einig.

Einfluss auf das Ozonloch

Wie schon bekannt ist, wird das Ozonloch maßgeblich von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) hervorgerufen. Diese Stoffe sind in der Troposphäre sehr stabil, spalten aber in der Stratosphäre Fluor- und Chlorradikale ab, die dann die Reaktion von Ozon (O₃) zu Sauerstoff (O₂) katalysieren. Für diese Abspaltung von Chlor- und Fluorradikalen in der Stratosphäre sind Aerosole verantwortlich, da die Reaktion nur auf der Oberfläche eines Aerosolpartikels stattfinden kann.

Saurer Regen

Als sauren Regen bezeichnet man Regen, der aufgrund eines überhöhten Säuregehaltes (hauptsächlich Schwefelsäure (H₂SO₄) und Salpetersäure (HNO₃)) den pH-Wert des Niederschlagswassers herabsetzt und über die hierdurch unterstützte Bodenversauerung des Edaphon beeinflusst. Ursache des hohen Säuregehalts sind bestimmte Aerosole, wie zum Beispiel Nitrate (RNO₃), Sulfate (RSO₄) und verschiedene Stickoxide. Sie reagieren mit anderen Aerosolen in der Luft, oder während der Tröpfchenbildung, zu Salpetersäure und Schwefelsäure. Hauptquellen für solche Aerosole sind die Abgase, die von Menschen verursacht werden. Zudem wurden auch in den 1970er Jahren, als noch nicht so viel über die Entstehung des sauren Regens bekannt war, Rußfilter in die Schornsteine vieler Fabriken eingesetzt. So wurde dann zwar weniger sichtbarer Ruß freigesetzt, die unsichtbaren Stickoxide und andere säurebildende Aerosole wurden jedoch weiter ausgestoßen. Da Rußpartikel in der Atmosphäre basisch reagieren, also die Fähigkeit haben, Säuren zu neutralisieren, hat der Einsatz solcher Filter auch zur Bildung von saurem Regen beigetragen.

Humanmedizin

Aerosole werden vom Menschen eingeatmet, dabei scheidet sich ein Teil der inhalierten Aerosolpartikel im Atemtrakt ab. Ungefähr 10 % aller inhalierten Aerosolteilchen bleiben im Atemtrakt. Weil die Abscheidewahrscheinlichkeit eines Teilchens stark von seiner Größe abhängt, kann dies nur ein grober Richtwert sein. Teilchen, die mindestens bis in den Bronchialbereich vordringen können, heißen lungengängig. Dazu gehören alle Aerosolpartikel unterhalb eines Durchmessers von ungefähr 10 µm. Größere Teilchen scheiden sich schon in der Nase oder im Rachen ab oder lassen sich überhaupt nicht inhalieren. Am wenigsten scheiden sich Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 µm und 1 µm ab. Das bedeutet gleichzeitig, dass sie besonders tief in die Lunge eindringen. Deutlich größere und auch kleinere Teilchen scheiden sich bereits in den oberen Bereichen stärker ab, dringen dadurch weniger tief ein und belasten deshalb die empfindlichen Alveolen weniger.

Im Atemtrakt abgeschiedene Aerosolteilchen verweilen dort eine gewisse Zeit. Ihre Verweilzeit hängt vom Teilchenmaterial und vom Depositionsort ab. Die Substanz leicht löslicher Teilchen verteilt sich schnell auf den gesamten Organismus. Chemisch sehr schwer lösliche Teilchen können bis zu mehreren Jahren im Alveolarbereich bleiben. Trotzdem bekämpft der Organismus auch diese Teilchen. Alveolarmakrophagen umschließen die Teilchen und können sie in einigen Fällen verdauen oder zumindest in die Lymphknoten transportieren. Flimmerhärchen im Bronchialbereich befördern dort deponierte Teilchen mechanisch recht schnell wieder aus dem Atemtrakt heraus.

Die Auswirkung inhalierter Teilchen auf den Menschen reichen von Vergiftungen über radioaktive Bestrahlung durch Radonzerfallsprodukte bis zu allergischen Reaktionen. Besonders gefährlich sind faserförmige Teilchen, speziell Asbest, weil Fasern die Lungenreinigung durch Makrophagen blockieren.

Aerosole dienen auch der Inhalationstherapie. Inhalationsgeräte zerstäuben Medikamente, die der Patient durch Inhalation in den Körper aufnimmt. Außer zur Bronchialbehandlung kann dieser Weg auch Unverträglichkeiten von Tabletten oder Spritzen umgehen. Das größte Problem bei dieser Anwendung ist die richtige Dosierung eines Medikaments.

Literatur

• Johann Feichter: Aerosole und das Klimasystem. Physik in unserer Zeit 34(2), S. 72–79 (2003), ISSN 0031-9252
• Jürgen Schnelle-Kreis, Martin Sklorz, Hartmut Herrmann, Ralf Zimmermann: Atmosphärische Aerosole: Quellen, Vorkommen, Zusammensetzung. Chemie in unserer Zeit 41(3), S. 220–230 (2007), ISSN 0009-2851
• Thorsten Hoffmann, Cornelius Zetzsch, Michel J. Rossi: Chemie von Aerosolen. Chemie in unserer Zeit 41(3), S. 232–246 (2007), ISSN 0009-2851

Siehe auch

• Globale Erwärmung
• Lithometeore