Spurengase
Die Luft besteht vor allem aus Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) und dem Edelgas Argon (Ar), die zusammen etwa 99,9% der trockenen Luft ausmachen. Der Rest von etwa 0,1%, der in der nächsten Säule aufgeschlüsselt wird, nennt man Spurengase. Dieser besteht hauptsächlich aus dem Treibhausgas Kohlendioxid (CO2), dessen Anteil z.Z. 413 ppm (parts per million, also zehntausendstel %) ausmacht und aufgrund anthropogener (vom Menschen verursachter) Verbrennungsvorgänge langsam zunimmt. Des Weiteren sind noch die Edelgase Helium und Neon und das Treibhausgas Methan zu nennen. Wird der Rest nochmals aufgeschlüsselt (3. Säule), befinden wir uns schon im ppb (parts per billion = tausendstel ppm)-Bereich.
Neben den für die atmosphärische Chemie nicht ganz so interessanten (weil reaktionsträgen) molekularem Wasserstoff (H2) und dem Treibhausgas N2O besteht der Rest aus einer Vielzahl von sogenannten Spurengasen, deren Konzentrationen im ppt (parts per trillion = tausendstel ppb)-Bereich stark von geographischen, meteorologischen, jahres- und tageszeitlichen Bedingungen abhängen. Ein mögliches Beispiel der weiteren Aufteilung ist in der 4. Säule dargestellt.
Wandeln sich diese Spurengase durch chemische Reaktionen um, spricht man von reaktiven Spurengasen. Hier unterscheidet man wiederum nach Art der Quelle zwischen natürlichen (häufig biogenen) und anthropogenen Spurengasen, wobei die Zuordnung nicht immer vollständig gelingt (z.B. Emissionen durch Waldfeuer: Initiiert durch Blitzschlag oder durch Brandrodung ?).
Da die sogenannten Treibhaus- oder Klimagase wie CO2 und Methan (CH4) das Potential haben, das Klima der Erde nachhaltig zu verändern, müssen diese Stoffe im Rahmen des ICOS Programm überwacht werden. Aber auch unter der Vielzahl der reaktiven Spurengase sind einige besonders interessant, da sie oft ganz entscheidend in klimarelevante Prozesse involviert sind (z.B. Aerosolbildung aus der Gasphase), an wichtigen atmosphärischen Reaktionen teilnehmen (wie z.B. die Stickoxide an der Sommersmogbildung), oder als sogenannte Leitsubstanzen dienen (z.B. Kohlenmonoxid (CO) als Tracer für anthropogen belastete Luftmassen und Radon als Tracer für Gasflüsse). Die wichtigsten reaktiven Spurengase werden am Meteorologischen Observatorium Hohenpeissenberg im Rahmen des "Global Atmosphere Watch" (GAW) Programm gemessen und tagesaktuell vorläufig geprüft bereitgestellt sowie international qualitätsgeprüft.
Neben der Überwachung der Spurengaskonzentrationen am Meteorologischen Observatorium Hohenpeissenberg werden die sehr komplexen chemischen und physikalischen Prozesse untersucht.
Bei der photochemischen Oxidantienbildung (PAN-Peroxyacetylnitrat) in der unteren Atmosphäre (Troposphäre) spielen energiereiches Sonnenlicht (UV-B), Stickoxide (NOx), Peroxy-Radikale und Kohlenwasserstoffe (VOC) eine entscheidende Rolle.
OH Zyklus
Energiereiches Sonnenlicht, das in der Lage ist, Ozonmoleküle so zu spalten (photolysieren), lässt angeregte Sauerstoffatome (O1D) entstehen, die mit Wassermolekülen reagieren und OH Radikale erzeugen. Die OH-Radikale reagieren mit den VOC, wobei organische Peroxy-Radikale (VOC*) und HO2 entstehen. Beides reagiert mit NO unter Bildung von NO2, das durch kurzwelliges Sonnenlicht in NO und O wiederum zerlegt wird.
Die O-Atome ihrerseits verbinden sich schnell mit Sauerstoffmolekülen und bilden Ozon, das wohl wichtigste Oxidationsmittel. Ein anderes wichtiges Oxidationsmittel, das PAN, kann auch in diesem Prozess zwischengebildet werden. Durch die Reaktion von OH-Radikalen mit SO2 wird Schwefelsäure gebildet, die für die Bildung von Aerosolen und Regentropfen mit verantwortlich ist.