Was macht Düngemittel in 18 km Höhe?: Ammoniak und Ammoniumnitrat in der oberen Troposphäre. Issue 6 (24th August 2020)

• Record Type: Journal Article
• Authors: Höpfner, Michael; Borrmann, Stephan; Ungermann, Jörn; Wagner, Robert
• Is Part Of: Chemie in unserer Zeit. Volume 54:Issue 6(2020)
• Page Start: 356
• Page End: 367
• Publication Date: 2020-08-24
• Subjects: Chemistry -- Periodicals; 540.5
• DOI: 10.1002/ciuz.202000037
• Languages: English
• ISSNs: 0009-2851

Abstract

Zusammenfassung: Ammoniak (NH3 ) ist das wichtigste basische Spurengas in der Atmosphäre. Durch die enormen Steigerungen seiner Produktion in den letzten gut 100 Jahren greift es zunehmend in den Stickstoffkreislauf des Erdsystems ein. NH3 bildet in der Atmosphäre Ammoniumnitrat (AN) und Ammoniumsulfat (AS) in Form von Aerosolpartikeln. Bisher waren diese nur als wichtige Komponente von Feinstaub in den unteren Atmosphärenschichten bekannt. Wir konnten durch Satelliten‐ und Flugzeugmessungen zeigen, dass NH3 und AN‐Partikel während des asiatischen Monsuns bis in Höhen von 18 km vom östlichen Mittelmeer bis zum westlichen Pazifik zu finden sind. Landwirtschaftliche Aktivitäten in Gebieten von Nordindien und Pakistan führen zu hohen bodennahen Konzentrationen von NH3, welches durch mächtige Gewitterwolken während des Monsuns bis in große Höhen verfrachtet wird und zur Bildung von AN beiträgt. Zusammen mit Labormessungen konnten wir nachweisen, dass entgegen bisheriger Annahmen die AN‐Partikel als feste Salzkristalle statt als wässrige Lösungströpfchen vorliegen. Um diese Kristallisation hervorzurufen, waren leichte Verunreinigungen mit AS notwendig. Im Vergleich zu flüssigen Tröpfchen sind feste AN‐Partikel viel bessere Nukleationskeime für Eisteilchen bei Temperaturen unterhalb von 230 K. Hierdurch können sie erheblichen Einfluss auf die Bildung von Zirruswolken und deren mikrophysikalische Eigenschaften haben und somit für den Strahlungshaushalt der Atmosphäre von großer Bedeutung sein. Abstract : Ammoniak und sich daraus bildende Aerosolpartikel sind ein wichtiger Bestandteil von Feinstaub in bodennahen Luftschichten. Vor kurzem konnten diese Substanzen jedoch erstmalig auch in Höhen von 12 bis 18 km während des asiatischen Monsuns nachgewiesen werden. In diesem Beitrag zeigen wir, wie sie dorthin gelangen, wie man sie nachweisen kann und welche Rolle sie in diesem Bereich der Atmosphäre spielen. Summary: Ammonia (NH3 ) is the most important basic trace gas in the atmosphere. Due to its massively increasing anthropogenic production during the last 100 years, it strongly affects the global nitrogen budget. Its main sources are emissions due to agricultural activity. In the atmosphere, NH3 is a precursor for the formation of ammonium nitrate (AN) and ammonium sulfate (AS) aerosol particles, which are known as major constituents of fine particulate matter near the surface. By using data from the first high‐altitude aircraft campaign in the Asian monsoon region as well as satellite observations, we could show that NH3 and AN particles are present up to altitudes of 18 km from the Mediterranean to the Western Pacific. From the emission regions in Northern India and Pakistan, strong convection during thunderstorms transports NH3 upwards where it contributes to the formation of AN particles. In contrast to previous assumptions, we could show with supporting laboratory experiments that the AN particles are present as solids instead of aqueous solution droplets. Crystallization can be induced by very small contaminations with AS. In contrast to aqueous droplets, solid AN particles are efficient ice nucleating particles at temperature below 230 K. As a consequence, these aerosols may considerably affect the formation and radiative properties of cirrus clouds, thus being of importance for the radiative budget of our atmosphere.