Quelle: JGU 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Die natürlichen Stoffkreisläufe zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre sind für das Klimasystem der Erde von großer Bedeutung. Das bekannteste Beispiel dafür ist der Kreislauf des Kohlenstoffs zwischen der Atmosphäre, der Landbiosphäre und dem Ozean. Er ist wesentlich verantwortlich für lebensfreundliche mittlere Temperaturen an der Erdoberfläche. Aber auch andere Elementkreisläufe spielen eine wichtige Rolle, so zum Beispiel der des Schwefels. Es wird vermutet, dass durch die Freisetzung von Schwefelverbindungen durch Phytoplankton in die marine Atmosphäre Wasserdampf-Kondensationskeime entstehen und es damit zur Wolkenbildung kommt – und somit ein natürlicher Rückkopplungseffekt existiert, der letztlich die Erdoberflächentemperatur stabilisieren könnte. Jetzt hat ein internationales Forschungsteam ein weiteres Element identifiziert, das ebenfalls in Zusammenhang mit Meeresalgen steht und bemerkenswerte ineinandergreifende, zyklische Reaktionen in der marinen Atmosphäre zeigt – das Jod. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Jod gehört zu den Halogenen, eine Gruppe von Elementen, die in großen Mengen im Meerwasser vorkommen. Zwar ist die Jodkonzentration wesentlich geringer als zum Beispiel die Chlorkonzentration in Form von Meersalz, allerdings zeigt Jod einige chemische Besonderheiten. „Zunächst verläuft der Mechanismus ähnlich wie beim Schwefelkreislauf“, erklärt Prof. Dr. Thorsten Hoffmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Phytoplankton überführt im Meerwasser vorhandenes Jodat in Jodid, wahrscheinlich um Jodid als einfaches anorganisches Antioxidans zu nutzen und so die Zellwände der Meeresalgen zu schützen. Jodid reagiert an der Meeresoberfläche aber auch mit atmosphärischem Ozon und setzt dabei molekulares Jod frei. Dieses molekulare Jod bildet über eine Reihe von schnellen atmosphärischen Reaktionen Jodoxide, die ein außergewöhnlich hohes Potenzial zur Bildung von Aerosolpartikeln haben. „Diese Teilchen können zu größeren Partikeln heranwachsen und dann als Wolkenkondensationskerne dienen und damit die Wolkenbildung beeinflussen“, beschreibt Hoffmann den Prozess. „Allerdings ist bei Jod im Gegensatz zu Schwefel der Vorgang hier noch nicht zu Ende.“

Jod als Katalysator für Partikelneubildung?
In der PNAS-Studie zeigen die Autorinnen und Autoren, wie in den wachsenden atmosphärischen Partikeln aus den zuvor gebildeten Jodoxiden wieder molekulares Jod entsteht und in die Gasphase freigesetzt wird. „Soweit wir heute wissen, ist Jod das einzige Element, das nach der Freisetzung von der Erdoberfläche die Atmosphäre nicht wieder verlässt, sondern durch Redoxreaktionen in der Partikelphase wieder in die Gasphase zurückgeführt werden kann“, bemerkt Hoffmann, Professor am Department Chemie der JGU. Damit könnte Jod eine wichtige katalytische Rolle bei der Bildung von Wolkenkondensationskeimen spielen. Eine Reihe ungelöster Fragen bleibt, zum Beispiel wie menschliche Aktivitäten, die an verschiedenen Stellen in diesen Mechanismus eingreifen, den einzigartigen Stoffkreislauf des Jods im Erdsystem beeinflussen.

An der Arbeit waren außer Forschenden der JGU Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Technischen Hochschule Kaliforniens in Pasadena (Caltech) und der Universität Galway beteiligt.

Veröffentlichung:
Ru-Jin Huang et al.
Heterogeneous iodine-organic chemistry fast-tracks marine new particle formation
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2. August 2022
DOI: 10.1073/pnas.2201729119
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2201729119

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Quelle: Universität zu Köln.

14. September 2021 – Eine seit langem bestehende Problemstellung in den Naturwissenschaften und der Industriepraxis ist die Vorhersage des Böschungswinkels bzw. Schüttwinkels für aufgeschüttete Hügel aus trockenem zusammenhaltendem körnigem Material. Mithilfe von numerischen (partikelbasierten) Simulationen konnten die Geophysiker Dr. Eric Parteli (bis 2020 Universität zu Köln, nun Universität Duisburg-Essen) und Filip Elekes (Universität zu Köln) ein mathematisches Modell entwickeln und die bis Dato bestehende Wissenslücke schließen.

Viele erinnern sich noch an das Spielen im Sandkasten als Kind: Lässt man Sand aufeinander rieseln, dann bildet sich ein Sandkegel, der je nach Größe der Sandkörner etwas unterschiedlich aussieht. „In der Physik ist hier vor allem der Winkel des Schüttkegels, der durch den fließenden Sand entstanden ist, interessant, der sogenannte Böschungswinkel“, sagt Filip Elekes, Erstautor des nun in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Artikels. „Der Böschungswinkel stellt ein Maß für das Fließverhalten des Granulats dar: Je fließfähiger das Granulat, desto kleiner der Böschungswinkel.“

Das Zusammenspiel aus Partikelgröße, Fließverhalten (Böschungswinkel) und Schwerkraft (Gravitationsbeschleunigung) ist für verschiedene industrielle Anwendungen von besonderer Wichtigkeit, wie etwa für die additive Fertigung (z.B. beim 3D-Druck). Auch in der Raum- und Planetenforschung wird das Verständnis für granulare Materie und Pulversysteme immer wichtiger. „In Zukunft sollen beispielsweise Bauteile für Raumsonden direkt in der Raumstation oder gar auf der Oberfläche des Mondes oder des Mars gedruckt werden“, so Dr. Parteli, der eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten sieht. Denn: Für die richtige Wahl der Partikelgröße muss der oben beschriebene Zusammenhang quantitativ verstanden werden. „Da setzen wir an. Ein mathematisches Modell für den Böschungswinkel als Funktion der Partikelgröße und der jeweiligen Gravitationsbeschleunigung würde Planetenforscher*innen ermöglichen, etwa aus den Hangneigungen einer außerirdischen Sedimentlandschaft auf die Partikelgröße einer Planetenoberfläche zu schließen.“

Um solch ein Modell zu erzielen, verwendeten die Wissenschaftler in ihrer Arbeit teilchenbasierte numerische Simulationen, auch Diskrete-Elemente-Simulationen genannt. Bei solchen Simulationen werden die Newtonschen Translations- und Rotationsbewegungsgleichungen für jedes einzelne Teilchen numerisch gelöst unter Berücksichtigung eines Modells für die auf die Teilchen wirkenden Kräfte. Diese Kräfte sind die Schwerkraft, die Kontakt- bzw. Reibungskräfte zwischen den miteinander in Berührung stehenden Partikeln sowie die recht schwach ausgeprägten elektrostatischen Kräfte, die zwischen Molekülen und Atomen stets wirken (van-der-Waals-Wechselwirkungen).

Mit Hilfe der Simulationen erzeugten sie zahlreiche Schüttkegelmodelle aus verschiedenen Kombinationen von Teilchendurchmesser und Gravitationsbeschleunigung, um aus den Ergebnissen dann eine mathematische Gleichung für den Böschungswinkel als Funktion dieser Parameter abzuleiten. „Wir haben dabei den Teilchendurchmesser systematisch von 50 Mikrometer bis 10 Meter variiert und die Gravitationsbeschleunigung von 6 Prozent der irdischen Schwerkraft, was etwa der Bedingung auf dem Planeten Pluto entspricht, bis hin zum hundertfachen der Gravitationsbeschleunigung der Erde“, beschreibt Filip Elekes die Bandbreite ihrer Arbeit. Als Granulat für ihre Simulationen nutzten sie Glaskugeln, da für Glaskugeln zahlreiche experimentelle Ergebnisse zum Böschungswinkel als Funktion des Teilchendurchmessers vorliegen. Mit diesen experimentellen Beobachtungen konnten sie ihr Modell unter irdischer Gravitationsbedingung validieren und eine mathematische Gleichung für den Böschungswinkel als Funktion des Partikeldurchmessers und der Gravitationsbeschleunigung entwickeln.

Ursprünglich hatten sich Filip Elekes und Dr. Eric Parteli die Frage gestellt: Sind Sandhügel auf dem Mond aufgrund der dort herrschenden niedrigeren Gravitationsbeschleunigung steiler als auf der Erde? Durch ihre Forschung können sie nun eine klare Antwort geben: „Ja“, hält Filip Elekes fest, dessen Bachelorarbeit 2018 mit dieser Ausgangsfrage den ersten Anstoß gab. „Ein Sandhügel – zumindest der in der Simulation aus Glaskugeln nachgebaute – ist auf dem Mond etwa 10° steiler als auf der Erde, da auf dem Mond nur 17 Prozent der irdischen Gravitation wirken.“ Auf dem Pluto, wo lediglich 6 Prozent der irdischen Gravitationsbeschleunigung vorhanden sind, wäre ein solcher Schüttkegel sogar 20° steiler als auf unserem Planeten. Die beiden Geophysiker beobachteten darüber hinaus, dass dieser Unterschied in dem Böschungswinkel für verschiedene Gravitationsbeschleunigungen größer wird, je kleiner der Partikeldurchmesser ist.

Link:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2107965118

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