Erstmals Messung von Bromnitrat in der Stratosphäre

12.02.2009 - Deutschland

Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es gelungen, erstmals das Spurengas Bromnitrat in der Stratosphäre zu Messen. Die Messungen wurden mit Hilfe des Infrarot-Spektrometers MIPAS auf dem europäischen Umweltsatelliten Envisat durchgeführt. Brom ist nach Chlor die wichtigste Substanz für die durch den Menschen verursachte Ozonzerstörung in der Stratosphäre.

Trotz seiner deutlich geringeren Konzentration trägt Brom nach Chlor den wichtigsten Anteil am katalytischen Ozonabbau durch Halogenverbindungen in der Stratosphäre. Die Emission chlorhaltiger Substanzen ist durch internationale Verträge reglementiert. Wegen der dadurch abnehmenden Chlorkonzentration wird die Rolle von Brom in der stratosphärischen Ozonchemie immer wichtiger. Gleichzeitig hat Brom viel größere natürliche Quellen als Chlor und reagiert außerdem erheblich schneller mit Ozon.

Eine weitere anorganische Bromverbindung, das Bromoxid, wurde in der Atmosphäre schon vor 20 Jahren nachgewiesen. Nun konnten Wissenschaftler des KIT erstmals auch Bromnitrat nachweisen, welches das hauptsächliche Reservoirgas für Brom in der Stratosphäre darstellt.

Instantaneous trace gas fingerprint with laser frequency combs

Echtzeit-Spurengasanalyse mit Frequenzkämmen

Wissenschaftlerteam am MPQ analysiert breitbandige Absorptionsspektren von molekularen Spurengasen durch Kombination von zwei Frequenzkämmen mit einem Überhöhungsresonator

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"Der Nachweis gelang durch das Infrarot-Spektrometer MIPAS, das auf dem europäischen Umweltsatelliten Envisat die Erde umkreist. In den hoch aufgelösten Infrarot-Spektren konnten wir den spektralen Fingerabdruck von Bromnitrat identifizieren", erläutert Dr. Michael Höpfner vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT. "Weil die Signatur von Bromnitrat so schwach ist, mussten Spektren über einen Monat aufsummiert werden. Dieser erste Nachweis von Bromnitrat in der Atmosphäre war außerdem nur möglich durch die enge Zusammenarbeit mit Kollegen in Paris, die für uns zuvor die notwendigen Referenzdaten im Labor gemessen hatten."

Bromnitrat konnte im Höhenbereich zwischen 20 und 40 Kilometern nachgewiesen werden. Die gemessenen Konzentrationen erreichen bei Nacht Werte bis 25 pptv, bei Tag liegen sie unter 10 pptv. Diese Konzentrationen und die Variation wurden aufgrund von Modellrechnungen erwartet: Bromnitrat wird durch Sonnenlicht in Bromoxid umgewandelt.

Brom hat ein höheres Potenzial für den Ozonabbau als Chlor, weil es durch Photolyse (Lichteinfluss) viel leichter aus seinem Reservoir Bromnitrat (BrONO2) in eine aktive Form umgewandelt wird als Chlor aus seinem Reservoir Chlornitrat. In der Reservoirform sind beide Halogene nicht in der Lage, stratosphärisches Ozon abzubauen. Erst wenn sie unter dem Einfluss von Licht in ihre Oxide umgewandelt werden, stehen sie als Katalysator für den Ozonabbau zur Verfügung.

Die mittels MIPAS gemessenen Konzentrationen von Bromnitrat entsprechen sehr gut den aufgrund von Modellrechnungen erwarteten Werten, die aus früheren Bromoxid-Messungen abgeleitet wurden. Dadurch werden einerseits die Modelle der Stratosphärenchemie bestätigt. Andererseits kann durch die neuen Messungen der Gesamtgehalt von Brom in der Stratosphäre besser abgeschätzt werden. Brom wird in Form langlebiger organischer Verbindungen durch natürliche und künstliche Quellen am Boden in die Atmosphäre eingebracht und nach oben transportiert. Durch die Tropopausenregion gelangt es in die Stratosphäre. Neue Messungen legen nahe, dass die bekannten Bromquellen nicht ausreichen, um die stratosphärische Bromkonzentration zu erklären.

MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Soun-ding) ist eines der Hauptinstrumente an Bord des europäischen Umweltsatelliten Envisat, der seit 2002 die Erde umkreist. MIPAS wurde im Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie konzipiert. MIPAS misst gleichzeitig Vertikalprofile der Temperatur und von mehr als 30 atmosphärischen Spurengasen. Neben Ozon und Wasserdampf gehören dazu die für die Atmosphäre wichtigen Stickoxide, die unter anderem die Ozonchemie bestimmen, oder verschiedene Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die in der Stratosphäre unter Einfluss der UV-Strahlung Chlor abgeben und damit die Ozonschicht angreifen und die außerdem eine Rolle beim Treibhauseffekt spielen. Da MIPAS die von den Molekülen emittierte Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) misst, kann es sowohl bei Tag als auch bei Nacht Spektren aufnehmen. Die Messungen decken die Erde von Pol zu Pol ab; insbesondere können Daten im sonst schwer zugänglichen Polarwinter gewonnen werden.

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