Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben voor het eerst onderzocht hoe chemische reacties in wolken het mondiale klimaat kunnen beïnvloeden. Ze ontdekten dat isopreen, de dominante niet-methaan organische verbinding die in de atmosfeer wordt uitgestoten, kan sterk bijdragen aan de vorming van organische aerosolen in wolken. Ze publiceerden hun resultaten vandaag in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Spuitbussen, een mengsel van vaste of vloeibare deeltjes die in de lucht zweven, spelen een belangrijke rol in het klimaat op aarde. Spuitbussen zijn afkomstig van natuurlijke of menselijke bronnen. Ze beïnvloeden de stralingsbalans van de aarde door te interageren met zonlicht en wolken te vormen. Echter, hun effect blijft de belangrijkste onzekerheid in klimaatmodellen.

Een stof die veel voorkomt in de atmosfeer is isopreen, een organische verbinding waarvan de reacties in de gasfase relatief goed worden begrepen. Isopreen wordt afgegeven door bomen en kan aerosolen produceren wanneer het wordt geoxideerd. Hoe isopreen en zijn reactieproducten reageren in wolkendruppels is nog grotendeels onbekend. Daarom hebben onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI een type stromingsreactor met natte wanden gebruikt, samen met de meest geavanceerde massaspectrometers, om voor het eerst te onderzoeken wat er chemisch zou kunnen gebeuren in wolken onder atmosferisch relevante omstandigheden.

"Onze experimentele opstelling stelt ons voor de eerste keer in staat om de verdeling van organische dampen op het lucht-watergrensvlak onder bijna-omgevingsomstandigheden nauwkeurig te onderzoeken, " zegt Houssni Lamkaddam, een onderzoeker in het Laboratorium voor Atmosferische Chemie bij PSI. "Met ons apparaat we kunnen nu simuleren wat er in wolken gebeurt."

Wat gebeurt er precies in wolken?

In het speciale apparaat een zogenaamde bevochtigingsreactor, een dunne waterfilm wordt aan de binnenkant van een kwartsbuis vastgehouden. Een gasmengsel met daarin onder andere stoffen, isopreen, ozon, en zogenaamde hydroxylradicalen worden in de glazen cilinder gevoerd. Rond de glazen cilinder zijn UV-lampen geïnstalleerd om daglichtomstandigheden voor sommige experimenten te simuleren.

Met behulp van deze opstelling, de onderzoekers ontdekten dat tot 70% van de isopreenoxidatieproducten kunnen worden opgelost in de waterfilm. De daaropvolgende oxidatie in water van de opgeloste soorten produceert aanzienlijke hoeveelheden secundaire organische aerosolen. Op basis van deze analyses ze berekenden dat de chemische reacties die plaatsvinden in wolken verantwoordelijk zijn voor tot 20% van de secundaire organische aerosolen op wereldschaal.

"Dit is weer een belangrijke bijdrage aan een beter begrip van de processen in de atmosfeer, " vat Urs Baltensperger samen, wetenschappelijk hoofd van het Laboratorium voor Atmosferische Chemie bij PSI. De stralingsbalans van de aarde is een zeer belangrijke factor in het hele klimaatproces en dus ook bij klimaatverandering. "En aerosolen spelen daarbij een cruciale rol, " zegt de atmosferische wetenschapper. Terwijl aerosolen wolkendruppels vormen, dit onderzoek toont aan dat wolken ook aerosolen kunnen vormen door de waterige chemie van organische dampen, een proces dat bekend is met betrekking tot sulfaataerosolen maar hier ook wordt getoond voor de organische fractie. Deze nieuwe experimentele opstelling, ontwikkeld bij PSI, opent de mogelijkheid om aërosolvorming in wolken onder bijna-atmosferische omstandigheden te onderzoeken, zodat deze processen uiteindelijk kunnen worden opgenomen in klimaatmodellen.