Aerosol

Definition und Entstehung

Ein Aerosol ist ein heterogenes Gemisch (eine Dispersion) aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas. Diese Teilchen heißen Aerosolpartikel oder Aerosolteilchen. Die kleinsten sind wenige Nanometer groß; eine feste obere Größenbegrenzung gibt es nicht. Partikel, die innerhalb weniger Sekunden ausfallen, werden aber selten untersucht.

Aerosole sind dynamische Systeme: Dämpfe können an vorhandenen Partikeln kondensieren, flüssige Bestandteile verdampfen, kleine Teilchen können zu größeren koagulieren und Teilchen können sich an Gegenständen ablagern. Aerosol und Feinstaub sind fachlich kaum zu trennen. Die Bezeichnung Particulate Matter (PM) kennzeichnet Größenfraktionen; PM₁₀ bezeichnet beispielsweise ein Teilchengemisch mit maximal 10 µm Durchmesser.

Aerosole werden unter anderem nach Entstehung, Größe, Materialeigenschaften, chemischer Zusammensetzung oder Wirkung als Kondensationskeim eingeteilt. Primäraerosole gelangen direkt in die Luft, meist durch mechanische Prozesse wie Straßenstaub oder thermische Prozesse wie Verbrennungsmotoren. Sekundäraerosole entstehen erst in der Luft aus gasförmigen Stoffen durch chemische Reaktionen und/oder durch Anlagerung von Reaktionsprodukten an Kondensationskerne. Mechanische Entstehung umfasst etwa Zerkleinern von Feststoffen und das Verteilen von Flüssigkeiten in Tröpfchen; bei Nukleation und Kondensation bildet sich Material aus übersättigten Gasen.

Vorkommen, Teilchen und Ausbreitung

Aerosole kommen in Raumluft als Staub, in Zigarettenrauch, als Sprühnebel, als Ruß oder Ölqualm aus Autoauspuffen und ständig in der Erdatmosphäre vor. Die Max-Planck-Gesellschaft grenzt Aerosolpartikel zwischen 1 nm und 100 µm ein. Zu natürlichen Bioaerosolen gehören Pollen, Sporen, Bakterien und Viren; natürliche anorganische Anteile sind Mineral- oder Wüstenstaub, vulkanische Asche, Schwefeldioxid und Meersalz. Vom Menschen stammen unter anderem Rauch, Asche, Stäube und industriell hergestellte Nanopartikel.

Typische Partikel unterscheiden sich in Herkunft und Zusammensetzung: Ruß, Sulfate und Nitrate sind Bestandteile von Hochofenemissionen; deren Partikel liegen zwischen 10 und 300 nm. Mineralstaub entsteht vor allem durch Gesteinserosion und Sandstürme. Meersalzpartikel bleiben zurück, nachdem vom Wind aufgewirbelte Salzwassertröpfchen verdunsten. Bioaerosole tragen Pilze, Bakterien, Viren oder Pollen sowie deren Bestandteile oder Stoffwechselprodukte. Pollen haben aerodynamische Durchmesser von 10 µm bis 100 µm, Viren liegen meist bei 0,02 µm bis 0,4 µm.

Aerosolpartikel haben häufig Durchmesser von etwa 0,1 µm bis 10 µm und sind einzeln nicht sichtbar. Bei 10.000–100.000 Partikeln pro Kubikzentimeter wird eine Partikelmenge in Luft sichtbar; bei anthropogenen Quellen heißt sie Smog. Die Konzentration nimmt mit der Höhe ab: In zehn Kilometern Höhe beträgt sie nur ein Zehntausendstel des Bodenwerts von etwa zehn Mikrogramm Aerosolpartikeln pro Kilogramm Luft. Wind kann abgelagerte Teilchen erneut mobilisieren und großflächig verteilen. So kontaminierte radioaktiver Niederschlag nach der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl 1986 große Teile Europas.

Kleine Teilchen können lange in Gasen transportiert werden. Für ein kugelförmiges Teilchen gilt bei vernachlässigbarer Auftriebskraft F_G = 4/3 πr³ρg. Nach dem Stokes-Gesetz ist die Reibungskraft F_R = 6πηvr. Bei Halbierung des Durchmessers sinkt die Gewichtskraft um den Faktor acht, die Reibungskraft nur um den Faktor zwei; die Sinkgeschwindigkeit würde daher um den Faktor vier abnehmen. Für sehr kleine Partikel muss wegen der mittleren freien Weglänge der Luft von 68 nm die Cunningham-Korrektur berücksichtigt werden: v = (2/9)(r²ρgC_c/η). Für nicht kugelförmige Teilchen wird der aerodynamische Durchmesser verwendet: der Durchmesser einer Kugel mit derselben Sinkgeschwindigkeit.

Messung und Rolle für Wolken und Klima

Aerosolkonzentrationen werden mit Kernzählern ermittelt. Eine einfache Methode lässt eine definierte Luftmenge auf eine dünne Vaselineschicht wirken und wertet die Teilchen mikroskopisch aus. Dabei werden Aitken-Kerne von 0,01 bis 0,1 µm, große Kerne von 0,1 bis 2 µm und Riesenkerne über 10 µm unterschieden. Weitere Verfahren sind Impaktoren oder Zentrifugen zur Abscheidung und Wägung sowie elektrische Größenklassierung mit einem differentiellen Mobilitätsanalysator (DMA). Als Detektoren dienen Kondensationspartikelzähler (CPC) oder elektrische Detektoren wie das Faraday Cup Electrometer (FCE). Nephelometer, Einzelpartikelzähler und LIDAR messen gestreutes Licht beziehungsweise Laserechos. Die aerosoloptische Dicke (AOD) kann per Fernerkundung kartiert werden.

Hygroskopische, also Wasser anziehende, Aerosolpartikel wirken als Wolkenkondensationskeime. Mit steigender Luftfeuchtigkeit kondensiert Wasser an ihnen; Tröpfchen wachsen, stoßen zusammen und können Wolken und Regen bilden. Aerosole können außerdem Eiskeime sein. Eiskristalle leiten nach dem Bergeron-Findeisen-Prozess die Niederschlagsbildung in Wolken ein.

Größe und Zusammensetzung bestimmen, wann ein Partikel ein Wolkentröpfchen bildet. Hydrophile Mineralsalze wie Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat können durch Deliqueszenz bereits bei 70 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen bilden. Hydrophober Ruß benötigt mehr als 100 % Luftfeuchtigkeit; im Regelfall bilden alle Aerosolpartikel bei 103 % Luftfeuchtigkeit Tröpfchen. Ohne Aerosole wären bis zu 300 % nötig. Wenige Kondensationskeime führen eher zu großen Tröpfchen, die leichter zusammenstoßen und rasch Regen bilden. Viele Keime erzeugen zahlreiche kleine Tröpfchen; dadurch können große Wolken entstehen, die kaum Regen abgeben.

Aerosole beeinflussen den Strahlungshaushalt direkt und über Wolken, ihre genaue Klimawirkung ist aber noch unzureichend erforscht. Sie sind nicht Teil des Treibhauseffekts, für den ausschließlich Gase verantwortlich sind. Ruß kann Sonnenlicht absorbieren und Wärme freisetzen, Salzpartikel können Licht reflektieren oder brechen. Die Wirkung hängt auch von der Höhe ab: Ruß erwärmt in der Troposphäre, kann dort aber bei Wirkung in der Stratosphäre zur Abkühlung beitragen; bei Mineralpartikeln ist dieser Effekt umgekehrt. Nach dem Ausbruch des Krakatau 1883 minderten Aerosole die an der Erdoberfläche ankommende Strahlung. Eine Studie von 2020 folgert aus Klimasimulationen, dass durch Rußpartikel veränderte Wolkenbildung zur Erderwärmung beiträgt. Der vermutete Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und globaler Wolkendichte ist umstritten; das CLOUD-Experiment am CERN wies seit 2006 einen geringen verstärkenden Effekt auf die Aerosolbildung in höheren Atmosphärenbereichen nach.

Aerosole sind auch an Prozessen beteiligt, die das Ozonloch betreffen: FCKW spalten in der Stratosphäre Fluor- und Chlorradikale ab, welche Ozon (O₃) zu Sauerstoff (O₂) katalytisch umsetzen. Diese Abspaltung kann nur auf der Oberfläche eines Aerosolpartikels stattfinden. Säurebildende Aerosole wie Nitrate, Sulfate und Stickoxide können Salpeter- und Schwefelsäure bilden und damit sauren Regen verursachen. In den 1990er Jahren wurden Verbrennungsgase deshalb zusätzlich entschwefelt (REA) und durch DeNOx-Verfahren von NOₓ-Anteilen befreit.

Gesundheit und SARS-CoV-2

Eingeatmete Aerosolteilchen können sich im Atemtrakt ablagern. Ungefähr 10 % aller inhalierten Teilchen bleiben dort; dies ist wegen der starken Größenabhängigkeit nur ein grober Richtwert. Als lungengängig gelten Teilchen unter ungefähr 10 µm Durchmesser, also PM₁₀. Teilchen zwischen 0,5 µm und 1 µm lagern sich am wenigsten ab und können deshalb besonders tief in die Lunge eindringen. Größere oder deutlich kleinere Teilchen werden eher in Nase, Rachen oder oberen Atemwegen abgeschieden.

Leicht lösliche Teilchenstoffe verteilen sich schnell im Organismus. Schwer lösliche Teilchen können mehrere Jahre im Alveolarbereich bleiben. Alveolarmakrophagen, Fresszellen in den Lungenbläschen, umschließen sie und können sie abbauen oder zu Lymphknoten transportieren. Flimmerhärchen befördern im Bronchialbereich abgelagerte Teilchen wieder heraus. PM₁₀- und PM₂.₅-Grenzwerte sollen die unterschiedliche gesundheitliche Wirkung nach Ablagerungsort berücksichtigen.

Mögliche Folgen reichen von Vergiftungen und radioaktiver Bestrahlung durch Radonzerfallsprodukte bis zu Allergien. Faserförmige Teilchen wie Asbest und Nanoröhren sind besonders gefährlich, weil sie die Lungenreinigung durch Makrophagen blockieren können. Krankheitserreger in Aerosolen können Tröpfcheninfektionen verursachen. Medizinisch werden Aerosole auch bei Inhalationstherapien genutzt: Geräte zerstäuben Medikamente, die über die Atmung aufgenommen werden; eine richtige Dosierung ist dabei ein wesentliches Problem.

SARS-CoV-2 wird nach derzeitigen Erkenntnissen vor allem direkt von Mensch zu Mensch übertragen, etwa beim Sprechen, Husten, Niesen oder Singen. Tröpfchen und länger schwebende Aerosole spielen dabei eine Rolle; der Übergang ist fließend. Ein Mindestabstand von 1,5 Metern kann Übertragungen verringern. In Innenräumen kann Luftzug durch Air Conditioning mittelkleine Tröpfchen über viele Meter verfrachten. Laut Gesellschaft für Aerosolforschung geschieht die Übertragung fast ausnahmslos in Innenräumen; im Freien sei sie äußerst selten und führe nie zu Clusterinfektionen.

Gezielte Nutzung und chemische Einordnung

Aerosole werden gezielt hergestellt, um Stoffe gleichmäßig auf Oberflächen aufzutragen, etwa Lacke, Pflanzenschutzmittel oder Schmiermittel. Nasen-, Haar- und Raumsprays geben Aerosole ab. Nebelbrunnen erzeugen Luft-Wasser-Aerosole zur Befeuchtung durch Verdunstung. Aerosol-Löschanlagen löschen Brände durch eine Kettenabbruchreaktion, und Kälte- oder Sportlerspray kühlt durch Verdampfen.

In der elektronischen Kampfführung wurden Aerosole zur Maskierung echter Ziele versprüht; gegenüber modernen Radargeräten ist ihre Wirkung eher gering. Außerdem können Aerosole Triebwerksabgase abkühlen und dadurch Infrarot-Zielsuchköpfe von Flugabwehrraketen beeinträchtigen.

Im Schema der chemischen Stoffe gehören Aerosole zu den Dispersionen, auch Kolloide genannt. Bei einem Aerosol ist das Gas das umgebende Medium; die disperse Phase kann flüssig sein, wie bei Nebel, oder fest, wie bei Rauch. Rauchgas enthält meist sowohl feste als auch flüssige Bestandteile. Makroskopische Partikel gehören nicht zu diesen Dispersionen, weil sie eine deutlich höhere Dichte haben und im Schwerefeld stärker absinken.