mini|Aerosole über Nord-Indien, Bangladesch und dem Golf von Bengalen
Ein Aerosol (IPA: []angepasst von: angepasst von: , , umgangssprachlich auch: []; Kunstwort aus und ) ist ein heterogenes Gemisch (Dispersion) aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas.
Die Schwebeteilchen heißen Aerosolpartikel oder Aerosolteilchen. Die kleinsten Partikel sind wenige Nanometer groß. Eine fixe Obergrenze gibt es nicht, jedoch sind Partikel, die innerhalb weniger Sekunden ausfallen, selten Gegenstand von Untersuchungen. Ein Aerosol ist ein dynamisches System und unterliegt ständigen Änderungen durch Kondensation von Dämpfen an bereits vorhandenen Partikeln, Verdampfen flüssiger Bestandteile der Partikel, Koagulation kleiner Teilchen zu großen oder Abscheidung von Teilchen an umgebenden Gegenständen.
Die Aerosolforschung beschäftigt sich unter anderem mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln, der Entstehung und Generierung von Aerosolen, der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und der Auswirkung von atmosphärischen Aerosolen auf Sichtverhältnisse und auf das Klima.
Die Begriffe Aerosol und Feinstaub sind fachlich kaum voneinander zu trennen, die jeweilige Verwendung in den einzelnen Arbeitsbereichen ist eher historisch bedingt. International hat sich durch die Einführung des National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) 1987 in den USA durch die Environmental Protection Agency die Bezeichnung Particulate Matter (PM) durchgesetzt. Hierbei erfolgt eine Größenangabe der Teilchen durch Hinzufügen einer Zahl, die den maximalen Durchmesser der Fraktion in Mikrometer beschreibt. Beispielsweise steht die Bezeichnung PM10 für ein Teilchengemisch mit einem maximalen Durchmesser von 10 µm.
Arten, Entstehung und Vorkommen Einteilung mini|hochkant=2|Aerosole können aus festen und flüssigen Teilchen bestehen; je nach Ursprung der Teilchen wird zwischen primären und sekundären Aerosolen unterschieden.
Aerosole lassen sich auf verschiedene Weisen in Kategorien einteilen. Kriterien können die Entstehung der Aerosolteilchen, ihre Größe, Materialeigenschaften (fest, flüssig oder chemische Zusammensetzung) oder ihre Wirkung (Kondensationskeime) sein. Außerdem ist eine Unterscheidung zwischen atmosphärischen Aerosolen, Indoor-Aerosolen und generierten industriellen oder technischen Aerosolen möglich.
Aerosole können durch mechanische Zerkleinerung von Material oder durch Kondensation von Material aus Vorläufergasen entstehen. Mechanische Prozesse umfassen Zerreiben, Zerstoßen oder andere Zerkleinerungsprozesse von Feststoffen und Dispersion von Flüssigkeiten in kleine Tröpfchen. Nukleation und Kondensation dagegen sind Prozesse, in denen sich festes oder flüssiges Material aus übersättigten Gasen bildet. Dabei können sich neue Partikel bilden, oder das Material kann auf bereits existierenden Partikeln kondensieren.
Die Einteilung nach Entstehung unterscheidet u. a. zwischen Primär- und Sekundäraerosolen. Primäraerosole werden direkt in die Umgebungsluft eingebracht und stammen meist aus mechanischen (z. B. Straßenstaub) oder thermischen (z. B. Verbrennungsmotor) Prozessen. Sekundäraerosole bilden sich in der Luft aus gasförmigen Stoffen durch chemische Reaktion und/oder durch Anlagerung der Reaktionsprodukte an Kondensationskerne.
Beispiele Aerosole finden sich in vielen Bereichen der Umgebung: Staub in der Raumluft Zigarettenrauch Nebel aus einer Spraydose Ruß oder Ölqualm aus einem Autoauspuff
mini|hochkant=2|Wichtige sekundäre Prozesse der atmosphärischen Partikelbildung und die geschätzte jährliche Bildungsmengenach Andreae 1994 (1) in Millionen Tonnen für verschiedene Partikel
Unsere Erdatmosphäre enthält stets Aerosole und Aerosolteilchen unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Konzentration. Dazu zählen natürliche Bioaerosole: Pollen, Sporen, Bakterien und Viren natürliche anorganische Anteile: durch Erosion entstandener Wüsten-Saharastaub, DWD; abgerufen am 16. Juni 2016 oder Mineralstaub, vulkanische Asche und Schwefeldioxid sowie Meersalz vom Menschen eingebrachte Anteile: Verbrennungsprodukte wie Rauch (Brandgas, Rauchgas) und Asche oder Stäube, industriell hergestellte Nanopartikel Die Max-Planck-Gesellschaft grenzt die Größe der Aerosolpartikel zwischen 1 nm (z. B. Sulfate, Nitrate, organische Verbindungen, Ruß, Viren, …) und 100 μm (z. B. Bakterien, Pilzsporen, Pollen, Mineralstaub, Seesalz, …) ein.
Verbreitung Der Durchmesser von Aerosolpartikeln liegt in der Größenordnung zwischen 0,1 µm und 10 μm. Einzelne Aerosolpartikel sind daher mit bloßem Auge nicht sichtbar. Eine Menge von Aerosolpartikeln in Luft ist je nach Partikelgröße ab Konzentrationen von 10.000–100.000 Partikel pro Kubikzentimeter sichtbar, die bei Herkunft aus anthropogenen Quellen als Smog bezeichnet wird.
Ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit kondensiert Wasser in der Luft an den Partikeln und es beginnen sich Tröpfchen zu bilden. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto größer werden die Tröpfchen. Bei einer hohen Luftfeuchtigkeit stoßen sie zusammen, es kommt zur Wolkenbildung und letztendlich zum Regen. Man bezeichnet Aerosolpartikel daher als Wolkenkondensationskeime.
Die Konzentration der Partikel ist je nach Ort unterschiedlich und nimmt mit der Höhe ab. Zehn Kilometer über dem Erdboden findet sich nur ein Zehntausendstel des Wertes am Boden, der bei etwa zehn Mikrogramm Aerosolpartikel pro Kilogramm Luft liegt. Vulkanausbrüche können die Konzentrationen von Aerosolen bis hinauf in die Stratosphäre stark erhöhen und neben dem Wetter auch den Flugverkehr beeinflussen. Wüstenstaub besteht ebenfalls aus vergleichsweise großen Partikeln und bildet beim Transport eine klar abgegrenzte, mehrere Kilometer dicke Aerosolschicht. Messungen im Bereich der Sahara zeigten deutliche Einflüsse auf den atmosphärischen Strahlungstransfer, die berechneten Klimawirkungen weisen jedoch große Unsicherheiten auf.
So wie der Wind, besonders wenn er Turbulenzen bildet, Boden mobilisiert (äolische Bodenerosion), kann er zur Bodenoberfläche abgesunkene Aerosolpartikel ständig neu mobilisieren. Je nach Windrichtung, Windstärke und meteorologischer Situation kann der Wind Aerosole großflächig verteilen. Ein Beispiel dafür ist die Verteilung radioaktiver Aerosole nach der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986, die vom Wind in Wolken transportiert wurden und als radioaktiver Niederschlag große Teile Europas kontaminierten.
Partikelarten und deren Herkunft Aerosolpartikel haben unterschiedliche Zusammensetzungen, die auf ihre Eigenschaften und Herkunft schließen lassen. Kleinste (Sub-)Partikel sind einzelne Moleküle, selten größer als 1 nm, die bei Verbrennungen oder als Stoffwechselprodukt von Pflanzen und Tieren (zum Beispiel Terpene) entstehen. Sie reagieren in der Erdatmosphäre schnell mit anderen Molekülen oder auch größeren Partikeln. Aerosolpartikel entstehen, wenn sich mehrere Moleküle zu einem Partikel mit festem Aggregatzustand verbinden.
Hochofenemissionen bestehen zum größten Teil aus Ruß, aber auch aus verschiedenen Sulfaten und Nitraten. Das Größenspektrum dieser Partikel liegt zwischen 10 und 300 nm. Rußpartikel entstehen zum Beispiel bei der Verhüttung von Metallen sowie in Kohlekraftwerken und Verbrennungsmotoren. Ähnlich wie Hochofenemissionen bestehen auch Rauchpartikel, wie sie bei offenen Feuern und Waldbränden entstehen, zum größten Teil aus Ruß.
Partikel aus Mineralstaub gehen vor allem auf die Erosion von Gesteinen zurück, große Mengen Mineralstaubpartikel entstehen zum Beispiel bei Sandstürmen. Aerosolpartikel aus Meersalz entstehen, wenn durch den Wind kleine Salzwassertröpfchen vom Meer aufgewirbelt werden. Das Wasser verdunstet anschließend, und zurück bleibt ein Meersalzpartikel.
Als Bioaerosol werden in der Standardisierung alle im Luftraum befindlichen Ansammlungen von Partikeln, denen Pilze, Bakterien, Viren oder Pollen sowie deren Zellwandbestandteile und Stoffwechselprodukte (z. B. Mykotoxine) anhaften, bezeichnet.VDI 4250 Blatt 1:2014-08 Bioaerosole und biologische Agenzien; Umweltmedizinische Bewertung von Bioaerosol-Immissionen; Wirkungen mikrobieller Luftverunreinigungen auf den Menschen (Bioaerosols and biological agents; Risk assessment of source-related ambient air measurements in the scope of environmental health; Effects of bioaerosol pollution on human health). Beuth Verlag, Berlin, S. 5. Im weiteren Sinne werden sämtliche Teile biologischer Herkunft, wie zum Beispiel Hautschuppen oder Faserteile, zu den Bioaerosolpartikeln gezählt.Wolfgang Mücke, Christa Lemmen: Bioaerosole und Gesundheit. Wirkungen biologischer Luftinhaltsstoffe und praktische Konsequenzen. ecomed Medizin, 2008, ISBN 978-3-609-16371-0, S. 13–14. Zu den größeren Schwebeteilchen zählen mit aerodynamischen Durchmessern im Bereich von 10 µm bis 100 µm Pollen, während Viren sich in der Regel in einem Größenbereich von 0,02 µm bis 0,4 µm bewegen. Es gibt darüber hinaus zahlreiche weitere Arten von Aerosolpartikeln. Einige davon sind radioaktiv, andere stammen aus Einträgen kosmischen Staubs.
Um die Herkunft eines Partikels zu bestimmen, bedarf es einer Analyse seiner Inhaltsstoffe. Während ihrer Zeit als Aerosol verändern sich die Partikel ständig. Wenn Wasser an den Partikeln kondensiert und sich aus vielen kleinen Tröpfchen größere bilden, können Aerosolpartikel miteinander reagieren, oder es werden chemische Vorgänge in der Luft katalysiert, welche die Zusammensetzungen der Partikel verändern.
Für technische Anwendungen, wie beispielsweise die Kalibrierung von Staubmessgeräten oder die Durchführung von Filtertests, werden Prüfaerosole eingesetzt. Diese werden je nach Anwendungsfall durch Dispergierung von Feststoffen beziehungsweise Flüssigkeiten, Kondensationsverfahren oder chemische Reaktion erzeugt.VDI 3491 Blatt 1:2016-07 Messen von Partikeln; Herstellungsverfahren für Prüfaerosole; Grundlagen und Übersicht (Measurement of particles; Methods for generating test aerosols; Principles and overview). Beuth Verlag, Berlin, S. 10–15.
Sinkgeschwindigkeit Die Eigenschaft von Partikeln, über längere Zeit in Gasen transportiert werden zu können, liegt darin, dass sie sich mit abnehmendem Durchmesser immer mehr wie Gas-Moleküle verhalten. Ihre maximale Sinkgeschwindigkeit haben Aerosole bei einem Kräftegleichgewicht von Gewichtskraft und Luftwiderstand, sofern die Dichte des Partikels viel größer als die des Fluids ist, womit die Auftriebskraft vernachlässigbar ist. Für die Gewichtskraft eines sphärischen Partikels mit Radius in einem Schwerefeld mit Ortsfaktor gilt:
Eine Halbierung des Durchmessers eines Partikels entspricht der Verringerung seiner Masse und damit der ihn betreffenden Gravitationskraft um den Faktor acht. Die Reibungskraft des Partikels mit der Luft lässt sich zunächst durch das Gesetz von Stokes beschreiben, da es sich um den Bereich einer laminaren Strömung handelt.
mini|hochkant=2|Sinkgeschwindigkeit von Wassertropfen laut
dynamische Viskosität des Fluids Geschwindigkeit des Partikels
Bei einer Halbierung des Durchmessers eines Partikels verringert sich die Reibungskraft nur um den Faktor zwei. Im Kräftegleichgewicht würde die Sinkgeschwindigkeit daher um den Faktor vier abnehmen.
Das obige Gesetz von Stokes gilt jedoch nur, solange die Partikel deutlich größer sind als die mittlere freie Weglänge des umgebenden Gases (in Luft 68 nm) und die Geschwindigkeit des Fluids an der Oberfläche des Partikels Null ist. Mit abnehmender Partikelgröße findet jedoch ein Übergang vom Kontinuum in den Bereich einer molekularen Strömung statt, wodurch der Strömungswiderstand eines Partikels langsamer fällt als nach dem Gesetz von Stokes zu erwarten. Die sich ergebende Sinkgeschwindigkeit ist daher größer als nach obigem Zusammenhang und zu ihrer Berechnung muss die Cunningham-Korrektur berücksichtigt werden.
Wird die Reibungskraft durch den Cunningham-Korrekturfaktor geteilt, so erhält man aus für die Sinkgeschwindigkeit