Neue Art von extrem reaktiver Substanz in der Atmosphäre

Zum ersten Mal wurde eine völlig neue Klasse superreaktiver chemischer Verbindungen unter atmosphärischen Bedingungen entdeckt. Forscher der Universität Kopenhagen haben in enger Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen die Bildung so genannter Trioxide dokumentiert – eine extrem oxidierende chemische Verbindung, die wahrscheinlich sowohl die menschliche Gesundheit als auch unser globales Klima beeinflusst.

Eine allgemein bekannte chemische Verbindung ist Wasserstoffperoxid. Alle Peroxide haben zwei aneinander gebundene Sauerstoffatome, was sie hochreaktiv und häufig entflammbar und explosiv macht. Sie werden für alles Mögliche verwendet, vom Aufhellen von Zähnen und Haaren bis hin zur Reinigung von Wunden und sogar als Raketentreibstoff. Peroxide kommen aber auch in der uns umgebenden Luft vor.

In den letzten Jahren wurde darüber spekuliert, ob auch Trioxide – chemische Verbindungen mit drei aneinander gebundenen Sauerstoffatomen, die noch reaktiver sind als Peroxide – in der Atmosphäre vorkommen. Bislang konnte dies jedoch nie eindeutig nachgewiesen werden.

“Das haben wir jetzt geschafft”, sagt Professor Henrik Grum Kjærgaard von der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen. Kjærgaard ist der Hauptautor der Studie, die gerade in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Er fährt fort:

“Die Art von Verbindungen, die wir entdeckt haben, sind in ihrer Struktur einzigartig. Und da sie extrem oxidierend sind, haben sie höchstwahrscheinlich eine Vielzahl von Wirkungen, die wir noch nicht entdeckt haben.”

Hydrotrioxide (ROOOH), wie sie genannt werden, sind eine völlig neue Klasse von chemischen Verbindungen. Forscher der Universität Kopenhagen (UCPH) haben gemeinsam mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) und des California Institute of Technology (Caltech) nachgewiesen, dass diese Verbindungen unter atmosphärischen Bedingungen gebildet werden.

Die Forscher haben auch gezeigt, dass Hydrotrioxide bei der atmosphärischen Zersetzung mehrerer bekannter und weit verbreiteter Stoffe, darunter Isopren und Dimethylsulfid, entstehen.

“Es ist von großer Bedeutung, dass wir nun durch direkte Beobachtung zeigen können, dass diese Verbindungen tatsächlich in der Atmosphäre entstehen, dass sie erstaunlich stabil sind und dass sie aus fast allen chemischen Verbindungen gebildet werden. Alle Spekulationen müssen nun ad acta gelegt werden”, sagt Jing Chen, Doktorand am Institut für Chemie und Zweitautor der Studie.

Hydrotrioxide entstehen durch eine Reaktion zwischen zwei Arten von Radikalen. Die Forscher gehen davon aus, dass fast alle chemischen Verbindungen in der Atmosphäre Hydrotrioxide bilden und schätzen, dass ihre Lebensdauer zwischen Minuten und Stunden liegt. Damit sind sie stabil genug, um mit vielen anderen atmosphärischen Verbindungen zu reagieren.

Vermutlich in Aerosolen absorbiert

Das Forscherteam hat auch den dringenden Verdacht, dass die Trioxide in winzige Partikel in der Luft, so genannte Aerosole, eindringen können, die ein Gesundheitsrisiko darstellen und zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können.

“Sie werden höchstwahrscheinlich in Aerosole gelangen, wo sie neue Verbindungen mit neuen Wirkungen bilden werden. Es ist leicht vorstellbar, dass sich in den Aerosolen neue Stoffe bilden, die beim Einatmen schädlich sind. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um diese möglichen gesundheitlichen Auswirkungen zu untersuchen”, sagt Henrik Grum Kjærgaard.

Aerosole wirken sich zwar auch auf das Klima aus, aber sie gehören zu den Dingen, die in Klimamodellen am schwierigsten zu beschreiben sind. Den Forschern zufolge ist es sehr wahrscheinlich, dass Hydrotrioxide einen Einfluss darauf haben, wie viele Aerosole produziert werden.

“Da Sonnenlicht von Aerosolen sowohl reflektiert als auch absorbiert wird, wirkt sich dies auf die Wärmebilanz der Erde aus – also auf das Verhältnis von Sonnenlicht, das die Erde absorbiert und in den Weltraum zurücksendet. Wenn Aerosole Stoffe absorbieren, wachsen sie und tragen zur Wolkenbildung bei, was sich ebenfalls auf das Klima der Erde auswirkt”, sagt Mitautorin und Doktorandin Eva R. Kjærgaard.

Die Wirkung der Verbindung muss weiter untersucht werden

Die Forscher hoffen, dass die Entdeckung von Hydrotrioxiden dazu beitragen wird, mehr über die Auswirkungen der von uns emittierten Chemikalien zu erfahren.

“Die meisten menschlichen Aktivitäten führen zur Emission von chemischen Stoffen in die Atmosphäre. Daher ist die Kenntnis der Reaktionen, die die Chemie der Atmosphäre bestimmen, wichtig, um vorhersagen zu können, wie sich unser Handeln in Zukunft auf die Atmosphäre auswirken wird”, sagt Mitautor und Postdoc Kristan H. Møller.

Doch weder er noch Henrik Grum Kjærgaard sind über die neue Entdeckung beunruhigt:

“Diese Verbindungen gab es schon immer – wir wussten nur nichts von ihnen. Aber die Tatsache, dass wir jetzt Beweise dafür haben, dass die Verbindungen gebildet werden und eine gewisse Zeit überleben, bedeutet, dass es möglich ist, ihre Wirkung gezielter zu untersuchen und zu reagieren, wenn sie sich als gefährlich erweisen”, sagt Henrik Grum Kjærgaard.

“Die Entdeckung deutet darauf hin, dass es noch viele andere Dinge in der Luft geben könnte, von denen wir noch nichts wissen. Die Luft, die uns umgibt, ist in der Tat ein riesiges Gewirr komplexer chemischer Reaktionen. Als Forscher müssen wir offen bleiben, wenn wir bessere Lösungen finden wollen”, so Jing Chen abschließend.

Wie Hydrotrioxide gebildet werden

Wenn chemische Verbindungen in der Atmosphäre oxidiert werden, reagieren sie häufig mit OH-Radikalen, wobei in der Regel ein neues Radikal gebildet wird. Wenn dieses Radikal mit Sauerstoff reagiert, bildet es ein drittes Radikal, das Peroxid (ROO), das wiederum mit dem OH-Radikal reagieren kann, wodurch Hydrotrioxide (ROOOH) entstehen.

Isopren ist eine der am häufigsten in die Atmosphäre emittierten organischen Verbindungen. Die Studie zeigt, dass etwa 1 % des gesamten freigesetzten Isoprens zu Hydrotrioxiden wird.
Die Forscher schätzen, dass die Konzentrationen von ROOOH in der Atmosphäre bei etwa 10 Millionen pro cm3 liegen. Zum Vergleich: OH-Radikale, eines der wichtigsten Oxidationsmittel in der Atmosphäre, kommen in etwa 1 Million Radikale pro cm3 vor.

Über die Studie

  • Während die Theorien, die den neuen Forschungsergebnissen zugrunde liegen, in Kopenhagen entwickelt wurden, wurden die Experimente mit Hilfe der Massenspektrometrie durchgeführt, teilweise am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Deutschland und teilweise am California Institute of Technology (Caltech) in den Vereinigten Staaten.
  • Während bei vielen Experimenten höhere Konzentrationen verwendet werden müssen, werden diese Experimente in einer Umgebung durchgeführt, die nahezu identisch mit der Atmosphäre ist, wodurch die Ergebnisse sehr zuverlässig und mit der Atmosphäre vergleichbar sind. Die Messung der Hydrotrioxide wurde durch den Einsatz äußerst empfindlicher Messinstrumente ermöglicht.
  • Die Studie wurde durchgeführt von: Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann und Hartmut Hermann vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS); Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller und Henrik Grum Kjærgaard vom Fachbereich Chemie der Universität Kopenhagen; sowie John D. Crounse und Paul O. Wennberg vom Caltech.

Datum: Mai 26, 2022
Quelle: Universität Kopenhagen – Fakultät für Naturwissenschaften


Journal Reference:

  1. Torsten Berndt, Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann, Hartmut Herrmann, John D. Crounse, Paul O. Wennberg, Henrik G. Kjaergaard. Hydrotrioxide (ROOOH) formation in the atmosphereScience, 2022; 376 (6596): 979 DOI: 10.1126/science.abn6012

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