Heidelberger Wissenschaftler untersuchen die Freisetzung von Brom in polaren Gebieten

Foto: Stephan General

Amerikanisches Forschungsflugzeug der Purdue University mit Messgeräten des Instituts für Umweltphysik bei Flügen in Alaska im Frühjahr 2012. Ein Teil der Instrumente ist auf der Unterseite des Flugzeuges installiert. Von dort aus werden die gemessenen Signale zu den weiteren Instrumenten im Inneren des Flugzeuges geleitet. Das Flugzeug wurde immer von Prof. Dr. Paul B. Shepson von der Purdue University geflogen und die Instrumente von einer Begleitperson bedient.

Die Freisetzung des chemischen Elements Brom, dessen Verbindungen wesentlich zum Abbau von Ozon in der unteren Atmosphäre beitragen, erfolgt in polaren Gebieten in einem erheblichen Umfang auch aus dem Schnee auf dem Festland. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Forscherteam mit Wissenschaftlern des Instituts für Umweltphysik der Universität Heidelberg, die zusammen mit Fachkollegen aus den USA Messungen sowie Probenentnahmen in Alaska durchgeführt haben. Bisher war die Wissenschaft davon ausgegangen, dass nur Meereis die Quelle ist, aus der Brom emittiert wird. Bei den Untersuchungen kam ein in Heidelberg entwickeltes, neuartiges spektroskopisches Messgerät auf einem amerikanischen Forschungsflugzeug zum Einsatz. Die Ergebnisse der Forschungen wurden jetzt in „Nature Geoscience“ veröffentlicht.

Ozon spielt nicht nur in der Stratosphäre, sondern ebenfalls am Boden eine bedeutende Rolle. Hier ist es nicht so sehr für den Schutz vor UV-Strahlung relevant, sondern wichtig für chemische Prozesse, die die Selbstreinigung der Atmosphäre von Schadstoffen bewirken. Bereits in den 1990er-Jahren fanden Heidelberger Forscher um Prof. Dr. Ulrich Platt heraus, dass ein ausgedehnter Ozonabbau in der bodennahen Atmosphäre der Arktis und Antarktis durch Brom verursacht wird, das mit Ozon zu Bromoxid reagiert. Dieses Brom wird in autokatalytischen Prozessen freigesetzt. Die entstehenden Bromoxidwolken können sich im polaren Frühling zu Ausdehnungen von mehreren Tausend Quadratkilometern Größe entwickeln. „Es handelt sich dabei um die mit Abstand größte Bromfreisetzung auf unserem Globus“, sagt Prof. Platt vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg. Die genauen Prozesse bei der Freisetzung sind sehr komplex und bis heute Gegenstand der Forschung.

Nun hat das internationale Wissenschaftlerteam mit den Forschungen in Alaska neue Erkenntnisse zu der Freisetzung von Brom aus Eis und Schnee gewonnen. Die Forscher haben dazu verschiedene Proben vor Ort untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Vorgänge zur Freisetzung von Brom an das Tageslicht gebunden und daher photochemische Prozesse involviert sind. Vor allem aber konnte nachgewiesen werden, dass die Bromemission stark von dem pH-Wert der Schnee- oder Eisprobe abhängig war. „Je ,saurer‘ die jeweilige Probe ausfiel, desto größer war die Freisetzung von Brom. Daraus ergab sich das überraschende Ergebnis, dass Schnee auf dem Festland, der typischerweise ,sauer‘ ist, mehr Brom freisetzt als alkalisches Meereis, obwohl Meereis deutlich mehr Brom enthält“, erläutert Dr. Denis Pöhler, der dem Team von Prof. Platt angehört.

Die Wissenschaftler der Universität Heidelberg haben diese Forschungserkenntnisse vor allem durch gleichzeitige Flugzeugmessungen bestätigt. Das dabei eingesetzte Messgerät, das im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes am Institut für Umweltphysik entwickelt wurde, misst das Sonnenlicht, das an der Schneeoberfläche und in der Atmosphäre gestreut wird. Bromoxid absorbiert einen Teil des Sonnenlichtes. Anhand dieser Absorption konnten die Heidelberger Forscher die Bromkonzentration und deren Vertikalverteilung bis zu mehreren Kilometern Höhe bestimmen. Außerdem erhielten sie Informationen über die räumliche Verteilung. „Derartig umfangreiche Daten erlauben es, die Quellen der Bromfreisetzung in der Arktis genau zu erkunden“, betont Dr. Pöhler.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Projektes „Bromine, Ozone and Mercury Experiment“ (BROMEX) durchgeführt. Kooperationspartner waren Wissenschaftler der Purdue University in West Lafayette/Indiana, des Cold Regions Research and Engineering Laboratory in Fort Wainwright/Alaska, der University of Alaska Fairbanks und des Georgia Institute of Technology in Atlanta. Das Heidelberger Messgerät soll in Zukunft mit dem neuen deutschen Forschungsflugzeug HALO zum Einsatz kommen und dort neben Bromoxid auch andere für die Wissenschaft wichtige Stoffe der Atmosphäre wie Stickstoffdioxid oder Schwefeldioxid bestimmen.

Informationen zum Projekt BROMEX sind im Internet unter der Adresse http://seaice.apl.washington.edu/AirChemistry zu finden.

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Originalveröffentlichung:
K.A. Pratt, K.D. Custard, P.B. Shepson, T.A. Douglas, D. Pöhler, S. General, J. Zielcke, W.R. Simpson, U. Platt, D.J. Tanner, L.G. Huey, M. Carlsen and B.H. Stirm: Photochemical production of molecular bromine in Arctic surface snowpacks, Nature Geoscience (14 April 2013), doi: 10.1038/ngeo1779

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