Hygroskopische Eigenschaften atmosphärischer Partikel

Um den direkten, vom Aerosol außerhalb von Wolken bewirkten, Strahlungsantrieb quantifizieren zu können, müssen die physikalischen und chemischen Parameter des atmosphärischen Aerosols bekannt sein. Hierzu zählen insbesondere Partikelanzahlgrößenverteilung, chemische Zusammensetzung, komplexer Brechungsindex und Mischungszustand. Die Partikel können je nach chemischer Zusammensetzung bereits bei relativen Luftfeuchten unterhalb von 100% Wasser aus der Umgebung aufnehmen und dadurch ihre Größe verändern. Eine Zunahme der relativen Luftfeuchte führt dabei zu einer Vergrößerung der Partikel und somit zu größeren Streukoeffizienten. Das hygroskopische Wachstum der Partikel ist von besonderer Bedeutung, um Partikelanzahlgrößenverteilungen unter Umgebungsbedingungen berechnen zu können.

In der Atmosphäre dienen die Partikel als Kondensationskerne für Wolkentröpfchen, wobei im wesentlichen ihre Hygroskopizität, ihre Größe und der Mischungszustand über ihre Aktivierung entscheiden. Um Wolkenprozesse und damit den indirekten Strahlungsantrieb besser verstehen zu können, ist es wichtig, zwischen in Wolken aktivierbaren bzw. nicht-aktivierbaren Aerosolpartikeln zu unterscheiden. Der Mischungszustand der Partikel und damit auch der lösliche (hygroskopische) Massenanteil entscheidet über den Aktivierungsprozess unter gegebenen meteorologischen Bedingungen. Damit haben die hygroskopischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel einen entscheidenden Einfluss auf Wolkenbildungsprozesse.

Zusätzlich zu den Effekten des atmosphärischen Aerosols auf das globale Klima sind Aerosole in den letzten Jahren aufgrund ihrer gesundheitsschädlichen Wirkung ins Gespräch gekommen. Aerosolpartikel werden in Abhängigkeit ihrer Größe in den menschlichen Atemwegen deponiert und können Atemwegserkrankungen wie Asthma oder Lungenkrebs hervorrufen. Die genauen Wirkungsmechanismen dieser Zusammenhänge sind jedoch bislang weitgehend unverstanden. Die hygroskopischen Partikeleigenschaften sind hier ein sehr wichtiger Parameter, da die Deposition eines Partikels in den Atemwegen von seiner Größe abhängt. Die relative Luftfeuchte im Lungentrakt wird mit 99 bis 99.5% angegeben. Abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung können atmosphärische Partikel bei diesen Werten Durchmesser bis zum dreifachen bzw. sechsfachen ihres Trockendurchmessers erreichen.

Neben diesen Einflüssen des atmosphärischen Aerosols auf Klima und Gesundheit, gibt es einen Zusammenhang zwischen Aerosolen und der Sichtweite. Die Sichtweitenverminderung in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte war einer der ursprünglichen Gründe, das hygroskopische Verhalten atmosphärischer Partikel zu studieren. Untersuchungen zeigen, dass die Sichtweite mit zunehmender relativer Luftfeuchte kontinuierlich abnimmt.