Ein internationales Forschungsteam, darunter Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), hat eine bedeutende Entdeckung im Bereich der atmosphärischen Chemie gemacht. Die Forscher identifizierten Hydroperoxide als leistungsstarke Oxidationsmittel, die entscheidend für chemische Reaktionen in der Atmosphäre sind. Neueste Untersuchungen zeigen, dass diese Verbindungen in Wolken, Regen und Aerosolwasser durch die Photolyse von α-Ketosäuren, beispielsweise Brenztraubensäure, gebildet werden können. Diese Reaktionen könnten zwischen 5 und 15 Prozent des in der Atmosphäre nachgewiesenen Wasserstoffperoxids (H₂O₂) in wässrigen Phasen ausmachen.
Die Bedeutung dieser Entdeckung ist enorm, da Hydroperoxide eine Rolle bei der Bildung und dem Abbau von Partikeln sowie Luftschadstoffen spielen. Die damit verbundenen chemischen Prozesse haben weitreichende Implikationen für die Luftqualität und Klimamodelle. α-Ketosäuren, die eine zusätzliche Ketogruppe enthalten, sind Carbonsäuren, die über verschiedene biogene und anthropogene Quellen in die Atmosphäre gelangen können. Sie stammen aus einer Vielzahl von Vorläufergasen, wie Isopren, Aromaten oder Acetylen, und sind sowohl pflanzlichen als auch industriellen Ursprungs.
In der Vergangenheit wurde der Einfluss von α-Ketosäuren auf das Klima und die Atmosphäre oft unterschätzt, obwohl sie eine fundamentale Rolle im biochemischen Stoffwechsel von Aminosäuren in Zellen spielen. In umfassenden Laborexperimenten und Modellrechnungen konnten die Forscher nachweisen, dass die drei untersuchten α-Ketosäuren – Glyoxylsäure, Brenztraubensäure und 2-Ketobuttersäure – in Kombination mit Licht Hydroperoxide erzeugen, die das Wasserstoffperoxid in der Atmosphäre hervorrufen. Diese Reaktionen finden in der sogenannten atmosphärischen Flüssigphase statt, insbesondere in wasserhaltigen Partikeln.
An der Studie waren zahlreiche Institutionen beteiligt, darunter die Chinese Academy of Sciences, das Guangdong Technion – Israel Institute of Technology, das Weizmann Institute of Science, und mehrere Universitäten aus Shanghai und Turin. Besonders hervorzuheben ist die Rolle führender Experten in der photochemischen Forschung, wie Professor Sasho Gligorovski, der seine akademische Laufbahn am TROPOS begann, sowie Professores Davide Vione und Hartmut Herrmann, die beide bedeutende Beiträge zur Untersuchung der Chemie in der Troposphäre leisten.
Das Team nutzte ein fortschrittliches Modell namens CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism), um die atmosphärischen Auswirkungen der Laborergebnisse zu analysieren und Hochrechnungen durchzuführen. Dieses Modell bildet komplexe Reaktionsketten ab und wurde seit seiner Entwicklung kontinuierlich verfeinert. Die Ergebnisse dieser Studie bieten nun einen quantitativen Rahmen für die Bildung von Hydroperoxiden aus α-Ketosäuren und klären wichtige Faktoren wie pH-Wert und Konzentration, die für Atmosphärenmodelle entscheidend sind.
Trotz dieser Fortschritte gibt es weiterhin Wissenslücken, insbesondere in Bezug auf die systematische Messung von α-Ketosäuren in Aerosolen und Wolkenwasser in verschiedenen Umgebungen. Solche Daten sind entscheidend, um die Mechanismen in Klimamodelle zu integrieren und um das globale Budget von Hydroperoxiden in der Atmosphäre besser abschätzen zu können. Darüber hinaus sind weitere Untersuchungen notwendig, um die Rolle dieser Verbindungen bei der Partikelbildung in wässrigen Phasen und der Sulfatproduktion zu verstehen.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht und stellen einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der atmosphärischen Chemie dar. Die internationale Zusammenarbeit der Forscher zeigt, wie wichtig der Austausch von Wissen und Expertise ist, um komplexe wissenschaftliche Fragen zu klären.
Zusammengefasst bietet diese Entdeckung nicht nur neue Einblicke in die chemischen Prozesse der Atmosphäre, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für künftige Forschungen zur Verbesserung der Luftqualität und zur Vorhersage klimatischer Veränderungen.
