Ozean und Atmosphäre

Chemische Prozesse, die an der Ozeanoberfläche ablaufen, sind eine große Unbekannte in Klimamodellen. Im Exzellenzcluster Ozean der Zukunft ermitteln Kieler Chemiker die Fakten.

»Die Ozeanoberfläche ist chemisch gesehen keine reine Wasseroberfläche. In Wirklichkeit ist sie total dreckig«, sagt Bernd Hartke vom Institut für Physikalische Chemie. Mit »Dreck« beschreibt der Professor für Theoretische Chemie eine Schicht von organischen Molekülen, die bei biologischen Prozessen, zum Beispiel dem Stoffwechsel mariner Lebewesen, entstehen. »Einiges ist nicht gut mit Wasser mischbar und sammelt sich oben an, so dass ein organischer Mikrofilm auf der Ozeanoberfläche schwimmt.«

Wenn das Sonnenlicht mit diesen organischen Substanzen in den Oberflächenschichten der Ozeane reagiert, können chemisch reaktive Moleküle entstehen, die das Klima beeinflussen. Umgekehrt beeinflusst auch die Zusammensetzung der unteren Luftschichten die chemischen Prozesse in der Meeresoberfläche, etwa indem größere Mengen an Kohlendioxid im Seewasser gelöst werden. Hartke: »In vielen Klimamodellen stecken Annahmen über den Stoffaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre. Doch im Detail kennt man die Chemie der Ozeanoberfläche gar nicht. Um die Vorhersagen der Klimamodelle realistischer zu gestalten, muss man wissen, wie die Grenzfläche die globalen Stoffkreisläufe verändert.«

Einfluss haben zum Beispiel Halogenkohlenwasserstoffe, also organische Verbindungen, die Halogen­atome wie Chlor, Brom oder Jod enthalten. Unter Einwirkung des Sonnenlichts bilden sich daraus die sehr reaktiven Halogenradikale, die das Klima mitbestimmen können. Bekannt ist hier vor allem die Zerstörung von Ozon in der Troposphäre (Ozonloch). In welchem Ausmaß reaktive Halogenradikale von der Ozeanoberfläche in die Atmosphäre abgegeben werden und welche Auswirkungen sie tatsächlich haben, ist eine der Fragen, der die Kieler Chemiker nachgehen.

Mehrere Arbeitsgruppen am Institut für Physikalische Chemie sind an diesen Forschungen beteiligt (Dr. Gernot Friedrichs, Professor Bernd Hartke und Professor Friedrich Temps unter Leitung von Professor Jürgen Grotemeyer) sowie weitere Mitarbeiter am IFM-GEOMAR (Leitung: Professor Douglas Wallace). Gegenstand der Arbeiten sind neben den Halogenverbindungen auch Nährstoffe, wie Stickstoff und Eisen, sowie marine Aerosole. In diesen winzig kleinen Wassertröpfchen, die mit dem bloßen Auge gar nicht zu erkennen sind, laufen völlig andere chemische Prozesse ab als im Wasser. Die Wissenschaftler interessieren sich dafür, in welchen Größen die Aerosole zwischen Ozeanoberfläche und Atmosphäre vorkommen. Denn die Größenverteilung wirkt sich auf die Wolkenbildung aus.

Hartkes Aufgabe in der Forschergruppe ist die theoretische Simulation der Prozesse mittels computergestützter Rechenverfahren. Ein Chemiker, dessen wichtigstes Instrument der Großrechner ist. »Nur so kann man experimentelle Daten, die man gewinnt, überhaupt verstehen, das heißt verstehen, was molekular abläuft.« Von seinen experimentierenden Kollegen erhält der Theoretiker Angaben darüber, welche Substanzen interessant sein können. Für diese Substanzen werden dann mit aufwendigen, quantenmechanischen Methoden Eigenschaften und Reaktivitäten ermittelt. »Wir können das Verhalten von chemischen Molekülen ohne weitere Modellannahmen berechnen und im Idealfall unseren experimentierenden Kollegen sagen, welche Messergebnisse sie erhalten sollten. Im Zusammenspiel von Experiment und Theorie entsteht so ein genaueres Bild der molekularen Vorgänge an der Ozeanoberfläche.« (ne)

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