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Lexikon der Geographie: Aerosole

Aerosole, stabile Suspension fester oder flüssiger Partikel in der Größenordnung von ca. 10-4 μm bis ca. 10 μm, welche in der Atmosphäre schwebt. Wolkentröpfchen, Eiskristalle oder fallende Niederschläge zählen nicht zu den Aerosolen. Aerosole können auf direktem Wege in die Atmosphäre gelangen, beispielsweise durch industrielle Emission von Partikeln, Winderosion oder Vulkanausbrüche. Dann sind es primäre Aerosole. Sekundäre Aerosole entstehen durch Gas-Partikel-Umwandlung, indem gasförmige Moleküle aneinander haften (Nukleations-Partikel). Die Bedeutung von Aerosolen ergibt sich besonders daraus, dass sie a) als Kondensationskerne wirken und damit den Prozess der Kondensation in der Atmosphäre beeinflussen, b) sie die Strahlung absorbieren oder streuen und so den Strahlungshaushalt oder die Optik der Atmosphäre verändern, c) an ihren Oberflächen chemische Prozesse ablaufen, welche die Zusammensetzung der Atmosphäre verändern und d) dass
sie schädigende Wirkung haben können.
Zur Größencharakterisierung der Aerosole wird ihr Äquivalentdurchmesser oder -radius verwendet, das ist derjenige Durchmesser oder Radius, den ein kugelförmiges Teilchen mit der gleichen Sinkgeschwindigkeit hätte ( Abb. 1).
In der atmosphärischen Grenzschicht gibt es deutliche Unterschiede zwischen der städtischen und ländlichen Atmosphäre ( Abb. 2). Das Maximum bei 10-2 μm ergibt sich durch die Menge der durch Nukleation entstandenen Aerosole und die geringe Depositionsgeschwindigkeit in diesem Größenbereich. Dass der Partikelgehalt des Regenwassers das Größenspektrum der schwebenden Teilchen recht gut nachzeichnet, zeigt, wie wirksam die Prozesse des Wash-out und Rain-out sind, welche die Atmosphäre reinigen und die nasse Deposition an den Oberflächen herbeiführen.
Die wichtigste natürliche Quelle des atmosphärischen Aerosols ist die Winderosion. In globalem Maßstab dominieren die Einträge aus den subtropischen Trockengebieten. Stäube aus der Sahara beispielsweise werden bis nach Mitteleuropa oder Florida transportiert (Blutregen). Daneben spielen Pollen eine Rolle, wenn sie beim Menschen allergische Reaktionen hervorrufen. Anthropogene Aerosolemissionen entstammen den unterschiedlichsten industriellen Prozessen, dem Verkehr (Rückstände der Verbrennung, Abrieb von Reifen oder Bremsscheiben) sowie der Landwirtschaft. Große Bedeutung haben in globalem Maßstab Waldbrände oder Brandrodung, aus denen rund ein Sechstel des weltweit vorhandenen organischen partikulären Aerosols stammen. Insgesamt ist die Emission von Schwefelverbindungen durch Verbrennungsprozesse mit ca. 100 Mio. t/a etwa doppelt so hoch wie die natürliche Freisetzung.
Die Masse der Aerosole liegt in Reinluftgebieten bei ca. 1 μg/m3, in Städten um 100 μg/m3 und innerhalb von Sandstürmen um 30.000 μg/m3. Damit ist in Städten die Masse der Aerosole immer noch wesentlich niedriger als die der reaktiven Gase. Aerosole binden Gase an ihren Oberflächen, beschleunigen die Deposition und können dadurch als Senke wirken. Räumlich ist die Konzentration über den Kontinenten größer als über den Ozeanen und sehr stark von der Luftmasse abhängig. Gealterte kontinentale Luftmassen haben wesentlich höhere Konzentrationen als maritime Luft. Der Ozean ist lediglich eine Flächenquelle für Meersalz und gasförmige Schwefelverbindungen.
Die Aerosole verlassen die Troposphäre durch die Prozesse der Deposition, die über die trockene oder nasse Deposition und für die verschiedenen Größenklassen unterschiedlich verlaufen. Die kleinsten Partikel sind die Aitken-Kerne unter 0,2 μm. Ihre Anzahl nimmt durch Koagulation relativ schnell ab. Sie lagern sich aneinander an, sodass größere Aerosole entstehen. Dabei kommt es zu den unterschiedlichsten aerosolchemischen Reaktionen, auch unter Beteiligung der Sonnenstrahlung. Für den Wolkenbildungsprozess sind die großen Kerne mit einem Äquivalent-Radius von 0,2 bis 1 μm entscheidend, weshalb sie als Kondensationskerne bezeichnet werden. Die Konzentration der Teilchen >1 μm verringert sich durch gravitatives Absinken.
Die Dichte der Aerosole nimmt mit zunehmender Höhe ab. An der Tropopause sind es nur noch 10-4 des Bodenwertes. Allerdings befinden sich auch in der Stratosphäre Aerosole. Dies sind einmal die durch Vulkanausbrüche in die Stratosphäre emittierten Ascheteilchen, welche bis zur Dauer von einigen Jahren die Erde umrunden und dann langsam infolge Gravitation in die Troposphäre gelangen und ausgewaschen werden. Es gibt aber auch eine permanente Schicht stratosphärischer Aerosole, welche sich an den Polen in ca. 17 km und am Äquator in ca. 25 km Höhe befindet. Sie wird als Junge-Schicht bezeichnet. Die Teilchen dieser Schicht sind mit einem mittleren Radius von r < 0,06 μm sehr klein und sinken daher nicht infolge der Schwerkraft. Durch sie können Phänomene der atmosphärischen Optik erklärt werden.

JVo

Lit: [1] FABIAN, P. (1992): Atmosphäre und Umwelt. – Berlin. [2] GRAEDEL, T.E., CRUTZEN, P.J. (1994): Chemie der Atmosphäre. – Heidelberg. [3] JAENICKE, R. (Hrsg.) (1987): Atmosphärische Spurenstoffe. – Weinheim.


Aerosole 1: Aerosole 1: Radien verschiedener Aerosole.

Aerosole 2: Aerosole 2: Aerosolspektren in der städtischen und ländlichen Grenzschicht sowie von unlöslichen Partikeln im Regen.

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