Ohne Aerosole gibt es keine Wolken, keinen Niederschlag, keinen Wasserkreislauf. Damit sind die nur wenige Nanometer großen Teilchen essenziell für unser Klima. Gleichzeitig beeinflussen Aerosole die Luftqualität in unseren Städten. Der Chemiker Dominik Stolzenburg beschäftigt sich mit Aerosolen verschiedenen Ursprungs, ihrem Verhalten und den Auswirkungen auf Klima und Luftqualität. Zuletzt blickte er im Rahmen einer groß angelegten, internationalen Studie auf den Ozean als Aerosolquelle. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Kleinste Schwebeteilchen mit großem Potenzial

Aerosole entstehen auf ganz unterschiedliche Weise. Ein Teil wird direkt als Partikel ausgestoßen, etwa als Ruß oder Mineralstaub. Mehr als die Hälfte der Aerosole in der Atmosphäre entsteht jedoch aus Gasen: Diese werden in der Luft chemisch verändert und bilden dabei eine neue, feste oder flüssige Phase – sogenannte sekundäre Aerosole. Gerade für die Luftqualität in Städten sind diese kleinsten Partikel interessant. Rußpartikel aus Autoabgasen werden inzwischen zwar vergleichsweise gut herausgefiltert, doch auch wenn der Verkehr weniger wird, verschwinden die Aerosole nicht. Chemische Konsumprodukte wie Reinigungsmittel, Deos, Parfüms oder Haarsprays setzen gasförmige Substanzen frei, aus denen neue Partikel entstehen können. Auch Kleber oder frischer Asphalt können solche Ausgangsstoffe abgeben. „Wenn wir den Verkehr wegnehmen, bleiben immer noch sehr viele andere Quellen“, sagt Dominik Stolzenburg.

Sein Forschungsschwerpunkt liegt deshalb auf der Luftqualität der Stadt der Zukunft. Stolzenburg beschäftigt sich mit der Frage, wie sich die Belastung verändert, wenn Städte weiterwachsen oder auch damit, wie sich Grünräume verändern, wenn Hitze und Trockenheit zunehmen. Denn Trockenheit bringt mehr Mineralstaub in die Luft und durch zunehmende Waldbrände gelangen große Mengen an Partikeln und gasförmigen Ausgangsstoffen in die Atmosphäre. Auch Saharastaub erreicht Europa immer häufiger.

Besonders im Fokus stehen dabei ultrafeine Aerosole mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern. Ihre gesundheitlichen Auswirkungen sind noch nicht abschließend geklärt. Hinweise gibt es unter anderem auf Zusammenhänge mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Lungenerkrankungen, deutlich schwieriger nachzuweisen sind langfristige Effekte. Um die Vorgänge besser zu verstehen, müssen Forschende sowohl unter kontrollierten Bedingungen im Labor als auch direkt in der Stadt messen.

Simulation eines Mini-Ozeans

Aerosole sind allerdings nicht nur für die Luftqualität relevant. Sie streuen und absorbieren Licht und beeinflussen damit das Klima. Vor allem aber bilden sie die Grundlage für die Wolkenbildung: Wie dicht eine Wolke ist und wie lange sie bestehen bleibt, hängt unter anderem davon ab, wie viele geeignete Aerosolpartikel als Kondensationskeime vorhanden sind. „Vor etwa einem Jahrzehnt rückte der Wald als natürlicher Aerosolproduzent in den Fokus der Forschung, kurz darauf war es der Ozean. Relevant sind diese beiden Bereiche, da sie einen Großteil der Erdoberfläche bedecken“, erklärt Dominik Stolzenburg. Tatsächlich entstehen auch über dem Meer zahlreiche Aerosole. Algen setzen unter anderem Dimethylsulfid (DMS) frei, aus dem in der Atmosphäre Schwefelverbindungen wie Schwefelsäure und Methansulfonsäure (MSA) entstehen können.

Die zunehmende Gewissheit, dass der Ozean eine zentrale Rolle bei der Bildung von Aerosolen spielt, trug auch zur Initiierung des CLOUD-Projekts bei. Forschende aus zahlreichen Ländern arbeiteten dafür am CERN zusammen. In einer eigens dafür aufgebauten Kammer ließen sich die Bedingungen der Atmosphäre kontrolliert nachbilden, unter anderem die chemischen Prozesse über dem Ozean und der Einfluss von Strahlung. „Der Teilchenbeschleuniger am CERN simulierte die kosmische Strahlung. Sie kann die molekularen Cluster stabilisieren, in denen sich kleine Aerosole bilden, bevor sie entweder weiterwachsen oder als Kondensationskeim für Wolken dienen“, so der Chemiker.

Das richtige Wachstum

Im Fokus der kürzlich in Nature veröffentlichten Arbeit stand MSA. Lange ging man davon aus, dass dieses vergleichsweise kleine und bewegliche Molekül zu flüchtig ist, um eine wichtige Rolle bei der Bildung von Wolkenkeimen zu spielen. Die Experimente zeigen nun: Bei Temperaturen unter 0 °C bildet MSA genauso effizient Aerosolpartikel wie Schwefelsäure. Wenn beide miteinander wechselwirken, ist der ganze Prozess sogar noch effektiver. 

Doch damit daraus tatsächlich ein wirksamer Wolkenkeim wird, muss der Partikel schnell weiterwachsen. „Es ist wichtig zu verstehen, wie sich einzelne MSA-Moleküle im Cluster verhalten und wie das Wachstum von kleinen Kondensationskernen hin zu Wolkentröpfchen funktioniert“, erklärt Dominik Stolzenburg. Die Cluster müssen rasch wachsen, damit sie nicht durch ihre zufällige Bewegung an bereits vorhandene Partikel verloren gehen. Andernfalls entstehen nur wenige große Partikel und damit weniger geeignete Kondensationskeime. MSA kann dieses schnelle Wachstum sogar bei Temperaturen bis zu +10 °C vorantreiben.

Die Frage, unter welchen Bedingungen aus wenigen Molekülen ein stabiler Aerosolkeim entsteht, ist deshalb auch für das Verständnis des Klimas relevant. Aerosole haben eine Lebensdauer von etwa sieben bis zehn Tagen in der Atmosphäre und beeinflussen in dieser Zeit unter anderem die Bildung und Lebensdauer von Wolken. Gleichzeitig reduziert Europa seine menschengemachten Aerosolemissionen zunehmend. Damit verschwindet ein Teil des kühlenden Effekts, den Aerosole bisher auf das Klima hatten und der menschengemachte Klimawandel tritt noch deutlicher hervor.

Originalpublikation 

Baalbaki, R., Shen, J., Simon, M., Klebach, H., Ruhl, S., DeVivo, J., ... & He, X. C. (2026). Role of methanesulfonic acid in atmospheric particle nucleation and growth. Nature, 1-4. https://doi.org/10.1038/s41586-026-10810-2, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster 

Rückfragehinweis

Asst.-Prof. Dominik Stolzenburg
Technische Universität Wien
Forschungsgruppe Physikalische Chemie von Aerosolpartikeln
+43 1 58801 165131
dominik.stolzenburg@tuwien.ac.at 

Text:Sarah Link