Schwefelkreislauf der Erde

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Forscher haben einen völlig neuen Reaktionsweg für die größte natürliche Schwefelquelle in der Atmosphäre nachgewiesen.

19.11.2019 · Umweltwissenschaften · Leibniz-Institut für Troposphärenforschung · News · Forschungsergebnis

Einen völlig neuen Reaktionsweg für die größte natürliche Schwefelquelle in der Atmosphäre konnte ein internationales Forschungsteam im Labor experimentell nachweisen. Über den neuen Abbaubaumechanismus für das hauptsächlich über den Weltmeeren freigesetzte Dimethylsulfid (DMS) berichtet das Team vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), der Universität Innsbruck und der Universität Oulu jetzt im Fachblatt The Journal of Physical Chemistry Letters. Die neuen Erkenntnisse zeigen, dass wichtige Schritte im Schwefelkreislauf der Erde noch nicht richtig verstanden sind, denn sie stellen die bisher angenommenen Bildungswege für Schwefeldioxid (SO2), Methansulfonsäure (MSA) und für Carbonylsulfid (OCS) ausgehend vom DMS in Frage, die über die Bildung von natürlichen Partikeln und Wolken stark das Klima auf der Erde beeinflussen.

Für die Laborversuche kam am TROPOS in Leipzig ein Freistrahl-Strömungssystem zum Einsatz, das die Untersuchung von Oxidationsreaktionen unter atmosphärischen Bedingungen ohne störende Wandeffekte erlaubt. Die Produkte der Reaktionen wurden mit hochmodernen Massenspektrometern bei Verwendung verschiedener Ionisierungsmethoden gemessen. Bei den Untersuchungen zum Abbauprozess von Dimethylsulfid (DMS; CH3SCH3) zeigte sich, dass dies überwiegend über einen zweistufigen Radikal-Isomerisierungsprozess geschieht, bei dem HOOCH2SCHO als stabiles Zwischenprodukt sowie Hydroxyl-Radikale entstehen. Über diesen Reaktionsweg wurde bereits seit vier Jahren theoretisch spekuliert, aber der tatsächliche Nachweis gelang erst jetzt dem deutsch-österreichisch-finnischen Team. „Das Zusammenspiel von optimalen Reaktionsbedingungen und hochempfindlichen Detektionsmethoden erlaubt uns, nahezu direkt in ein Reaktionssystem hineinzusehen“, berichtet Dr. Torsten Berndt vom TROPOS, der die Untersuchungen leitet. Der neue Reaktionsweg ist deutlich schneller als die traditionellen bimolekularen Radikal-Reaktionen mit Stickstoffmonoxid (NO), Hydroperoxy-(HO2) und Peroxy-Radikalen (RO2). „Weiterführende Untersuchungen zum Abbau des Zwischenprodukts HOOCH2SCHO werden uns hoffentlich Klarheit über die Bildungskanäle besonders von Schwefeldioxid (SO2) und Carbonylsulfid (OCS) geben", so Berndt weiter zu den anstehenden Untersuchungen.

Dimethylsulfid (DMS) ist ein schwefelhaltiges organisches Gas, das nahezu überall vorkommt: Das Abbauprodukt von Bakterien ist zum Beispiel Teil des menschlichen Mundgeruchs. Für das Klima von Bedeutung sind dagegen die großen Mengen, die bei Zersetzungsprozessen im Ozean entstehen und ausgasen: Pro Jahr gelangen so geschätzte 10 bis 35 Millionen Tonnen aus dem Meerwasser in die Atmosphäre. DMS ist damit die größte natürliche Schwefelquelle für die Atmosphäre. Durch die Reaktion mit Hydroxyl-Radikalen bilden sich dort dann Schwefelsäure (H2SO4) ausgehend vom SO2 und Methansulfonsäure (MSA), die eine große Rolle bei der Bildung von natürlichen Partikeln (Aerosolen) und Wolken über den Ozeanen spielen. Von Bedeutung ist auch das Carbonylsulfid (OCS), das durch seine geringe Reaktivität in der Atmosphäre bis in die Stratosphäre eingemischt werden kann und dort zur Schwefelsäure-Aerosolbildung beiträgt und damit zur Kühlung der Erdatmosphäre. 

Die neuen Erkenntnisse über die Abbauwege des DMS helfen, das Wissen über die Bildung von natürlichen Aerosolen zu verbessern. Der Beitrag von Aerosolen und den daraus gebildeten Wolken ist immer noch die größte Unsicherheit in den Klimamodellen. Im Gegensatz zu Klimagasen wie Kohlendioxid sind die Prozesse bei der Wolkenbildung wesentlich komplexer und schwerer in Modellen wiederzugeben.  

 Originalpublikation

T. Berndt, W. Scholz, B. Mentler, L. Fischer, E. H. Hoffmann, A. Tilgner, N. Hyttinen, N. L. Prisle, A. Hansel, and H. Herrmann (2019): Fast Peroxy Radical Isomerization and OH Recycling in the Reaction of OH Radicals with Dimethyl Sulfide. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 21, 6478-6483. DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02567

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b02567

Die Untersuchungen wurden gefördert vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC), dem Rahmenprogramm der Europäischen Union für Forschung und Innovation (Horizon-2020-Projekt SURFACE (717022) und dem MSCA-Programm (764991)) sowie der Academy of Finland (308238 & 31475).

Weitere Informationen und Kontakt

www.tropos.de