Chemie der Bildung von stickstoffhaltigen Verbindungen in sekundären organischen Aerosolen und ihr Einfluss auf deren optische Eigenschaften

• Antragsteller: Dr. Christopher Johannes Kampf
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252333154

Die Bildung lichtabsorbierender organischer Verbindungen (LOC), auch brown carbon (BrC) genannt, kann die optischen Eigenschaften sekundärer organischer Aerosole (SOA; Submikrometerpartikel) beeinflussen. Stickstoffverbindungen, die in Reaktionen von Carbonylspezies mit Aminverbindungen über ein Iminintermediat in SOA gebildet werden können, sind aktuell und mit steigender Tendenz im Fokus der Forschung. Zusätzlich zu direkten BrC Emissionen durch unvollständige Verbrennungsprozesse, kann BrC so sekundär in der gesamten Troposphäre gebildet werden. BrC könnte so das Strahlungsbudget auf globaler Ebene beeinflussen und zu heterogener Aerosolchemie durch seine Wirkung als Photosensibilisator beitragen.Im zurückliegenden Projekt wurden analytische Methoden zur Analyse von BrC in Modellsystemen, die wässrige atmosphärische Aerosolpartikel nachbilden sollen und 1,2-, 1,3-, 1,4-, oder 1,5-Dicarbonyle und Ammoniumsulfat oder die Aminosäure Glycin beinhalten, auf molekularer und Bulkebene etabliert und angewendet, auch in weiteren Studien zu Stickstoffverbindungen in biogenen Aerosolen. Die Methoden beinhalten Spektrophotometrie und moderne Chromatographie sowie Massenspektrometrie. Verschiedene Klassen von Stickstoffheterozyklen mit pH-abhängigen Ausbeuten wurden in den untersuchten Modellsystemen identifiziert: Imidazole, Pyrrole, Pyrroldimere (Dipyrromethene) und (Dihydro-)Pyridine. Dies verdeutlicht, dass Stickstoffheterozyklen häufige Struktureinheiten von BrC sind. So konnten Imidazole auch in atmosphärischen Aerosolproben, die in Brasilien, Europa und Indien gesammelt wurden, gemessen werden. Experimente mit Dicarbonylmischungen und Aminnukleophilen zeigten außerdem, dass Kreuzreaktionen die Absorption der entsprechenden Proben erhöhen und neue BrC Verbindungen hervorbringen können, die nahe des sichtbaren Bereichs des Lichts absorbieren. Dieses Ergebnis stellt die Notwendigkeit heraus Kreuzreaktivitäten für atmosphärenrelevante Dicarbonylmischungen weiter zu untersuchen und potentielle Kandidaten für BrC Markerverbindungen und Photosensibilisatoren zu identfizieren.In den weiteren, notwendigen Experimenten sollen daher Mechanismen, Kinetiken und Produkte solcher Kreuzreaktionen anhand verschiedener Parameter (relative Dicarbonylzusammensetzung, Aminkomponente, pH Wert) untersucht werden. Letztlich soll durch das so gewonnene Prozessverständnis mittels numerischer Modellierung eine quantitative Abschätzung der BrC Bildung über Iminintermediate in wässrigen Aerosolpartikeln stehen. Diese neuen Erkenntnisse sollen unser Verständnis, wie die Partikelphasenchemie optische Eigenschaften und heterogene Chemie von Aerosolen beeinflusst, verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen