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Die NASA verfolgt molekulare Eigenschaften, die die Erde erhitzen

(PhysOrg.com) - Nicht alle Treibhausgase sind gleich.

Nicht alle Treibhausgase sind gleich. Einige Spurengase sind wesentlich effizientere Erderwärmungsmittel als das reichlich vorhandene Kohlendioxid, weshalb Wissenschaftler die physikalischen Eigenschaften untersuchen, die dazu führen, dass die Wärmeabsorption zwischen verschiedenen Arten von Molekülen variiert.

Kohlendioxid erhält viel Aufmerksamkeit, weil es reichlich vorhanden ist und seine Konzentration in der Atmosphäre zunimmt. Methan ist ein Spurengas, das etwa 200-mal effizienter Wärme aufnimmt als Kohlendioxid und eine relativ kurze Lebensdauer von 12 Jahren hat. Andere Spurengase enthalten Fluoratome wie Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Perfluorkohlenwasserstoffe. Diese Verbindungen sind als Wärmeabsorber um ein Vielfaches effizienter als Methan und können in der Atmosphäre Tausende von Jahren Bestand haben. Daher ist die Überwachung ihrer Ansammlung in der Atmosphäre für das Verständnis des Erdklimas von entscheidender Bedeutung.

"Um das Erdklima zu schützen, müssen wir die molekularen Eigenschaften, die die Wärmeabsorption bestimmen, verstehen und umweltfreundlichere Moleküle entwerfen", sagte Timothy Lee, Astrochemiker am Ames Research Center der NASA, Moffett Field, Kalifornien als erstes auf die inhärenten Fähigkeiten von Molekülen zu konzentrieren, die abgestrahlte Wärme der Erde zu absorbieren. "

"Die Arbeit befasst sich nicht mit Toxizität, atmosphärischer Lebensdauer oder dem Schicksal von Molekülen in der Atmosphäre. Wir argumentieren vielmehr, dass die Strahlungsleistung eine weitere grundlegende Eigenschaft ist, die zusätzlich zu diesen anderen Eigenschaften berücksichtigt werden sollte", sagte Partha Bera, Postdoktorandin am Ames Research Center der NASA, Moffett Field, Kalifornien, USA, und Erstautor beider Forschungsarbeiten.

Lee und Bera sind Co-Autoren von "Identifizierung des molekularen Ursprungs der globalen Erwärmung", das letztes Jahr im Journal of Physical Chemistry A 2009, vol. 113 und ist die erste von zwei Forschungsarbeiten über den Einsatz von Treibhausgasen in der Industrie. Diese Woche wurde in den Proceedings der National Academy of Sciences das zweite Papier mit dem Titel „Designstrategien zur Minimierung der Strahlungseffizienz von Molekülen zur globalen Erwärmung“ veröffentlicht.

Das erste Papier identifiziert die physikalischen Eigenschaften, die dazu führen, dass Moleküle wirksame Wärmeabsorber sind. Das zweite Papier schlägt Entwurfsstrategien vor, um umweltfreundliche Alternativen zu schaffen und neue Chemikalien zu testen, bevor sie von der Industrie hergestellt und verwendet werden.

"Das Papier ist wichtig, weil es nahe legt, dass ein Forscher eine erste Abschätzung der Strahlungseigenschaft eines Moleküls erhalten kann, indem er nur die Kombination von Atomen im Molekül kennt", sagte Joseph Francisco, Professor für Erd- und Atmosphärenwissenschaften sowie Chemie an der Purdue University Universität, West Lafayette, Indiana, und Co-Autor beider Arbeiten.

In der Vergangenheit haben Studien gezeigt, dass die Verwendung von FCKW und H-FCKW zu einem Ozonabbauproblem in der Stratosphäre führt. Um dieses Problem zu lösen, hat die Industrie versucht, Chlor durch Fluor zu ersetzen, und mit der Herstellung fluorierter Verbindungen begonnen. Diese Verbindungen werden häufig in der Elektronik-, Klima-, Haushaltsgeräte- und Teppichindustrie eingesetzt. Die Industrie verwendet sie, weil sie sehr stabile Verbindungen sind und für den Menschen weniger schädlich sind. Dies bedeutet auch, dass sie in der Atmosphäre sehr lange halten können.

„Wenn Wasserstoffatome in Molekülen durch Fluoratome ersetzt werden, haben sie eine größere Heizkapazität. Sie fangen die Wärme effizienter ein. Wissenschaftler wussten bereits, dass Verbindungen mit Fluoratomen effizientere Erderwärmungsmittel sind. Aber niemand hat sich ihre Molekülstruktur angesehen “, sagte Lee.

Wissenschaftler sagen, dass die Erde, wenn sie die Strahlung der Sonne absorbiert, sich erwärmt und beginnt, ihre eigene Wärme abzustrahlen. Diese aufsteigende Wärmeenergie wird von Partikeln in der Atmosphäre absorbiert und auf atomarer Ebene angeregt. Wenn Spurengase in der Atmosphäre diese Wärmeenergie absorbieren, werden sie angeregt und schwingen in bestimmten Mustern.

"Jedes Molekül hat ein einzigartiges Schwingungsmuster, das durch die Bindung zwischen Atomen bestimmt wird. In diesen schwingenden Bindungen wird Wärme absorbiert und gespeichert", erklärte Bera.

Treibhausgase und insbesondere fluorhaltige Moleküle werden zu Senken, die außergewöhnliche Mengen an Wärme einfangen und transportieren. Wenn dies geschieht, wandern hochintensive, vibrierende Fluorkohlenwasserstoffe in Richtung der Auslässe in der Atmosphäre, die als "Infrarotfenster" bezeichnet werden. In diesen Infrarotfenstern wird Wärme in den Weltraum abgegeben, was unserem Planeten hilft, eine ausgeglichene Temperatur aufrechtzuerhalten, erklärte Bera.

"Die Infrarotfenster können mit Glas in einem Autofenster verglichen werden", sagte Bera. "Sonnenlicht auf dem Fenster kann Wärme in ein geschlossenes Auto übertragen, aber es werden keine Gase ausgetauscht. Ebenso können die Infrarotfenster Wärme in den Weltraum abgeben, aber die Gase werden in der Atmosphäre zurückgehalten."

Der größte Teil der Erdatmosphäre sieht undurchsichtig aus, mit Ausnahme des Infrarotfensters, das transparent aussieht. Nachdem diese großen, hochintensiven fluorierten Moleküle in das Infrarotfenster gelangt sind, tragen sie immer noch große Mengen an Wärme, was sich nach Lee schließlich auf die Transparenz des Fensters auswirkt, es undurchsichtig macht und schließlich das Fenster schließt.

In der Studie wird empfohlen, fluorierte Verbindungen zu überwachen, da sich diese in diesen atmosphärischen Fenstern weiter ansammeln und die Lichtundurchlässigkeit der Fenster die Wärmeübertragung in den Weltraum blockiert. Im Laufe der Zeit schließen sich die Fenster und verursachen einen Treibhauseffekt auf der Erde.

"Im Gegensatz zu hohen Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre, die das Infrarotfenster quetschen können, können diese fluorierten Moleküle das Infrarotfenster möglicherweise schließen", so Lee abschließend.