Das Rätsel mit dem Dreifach-O

News: Das Rätsel mit dem Dreifach-O

Seit zwanzig Jahren rätseln Wissenschaftler, warum bestimmte 'schwere' Ozonmoleküle in der Atmosphäre häufiger sind, als sie sein dürften (Isotopeneffekt). Jetzt ist eine Lösung in Sicht: Ein normales, leichtes Sauerstoffatom ¹⁶O verbindet sich nämlich deutlich schneller mit Sauerstoffmolekülen die aus zwei schweren Isotopen bestehen als umgekehrt.

Vom Sauerstoff gibt es drei stabile Isotope ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. Ozon (O₃) ist ein Molekül, daß aus drei Sauerstoffatomen besteht. Somit ergeben sich jede Menge Kombinationsmöglichkeiten, aus welchen Isotopen ein Ozonmolekül zusammengesetzt sein kann. Die schwereren Isotope ¹⁷O und ¹⁸O kommen aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Deshalb findet man in der Natur nur die Ozonmoleküle ⁴⁸O₃, ⁴⁹O₃ und ⁵⁰O₃ in meßbaren Mengen.

Anhhand des Reaktionsmechanismus für die Ozonbildung läßt sich berechnen, wie hoch der Anteil und die Verteilung der verschiedenen Sauerstoffisotope eigentlich sein müßte. Den Theorie zufolge sollte es keinen Grund geben, warum sich in den Ozonmolekülen prozentual mehr schwere Sauerstoffisotope finden als im Rest der Atmosphäre. Nach herkömlichen Modellvorstellungen sollten es sogar noch etwas weniger sein. Seit langem ist aber bekannt, daß das Gegenteil der Fall ist. Die schweren Isotope reichern sich im Ozon an.

Am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg wurde jetzt ein Effekt entdeckt, der dafür verantwortlich sein könnte (Science, 15. Januar 1999). Die Forschungsgruppe von Professor Mauersberger, der sich seit Jahrzehnten mit Ozon befaßt, hat signifikante Unterschiede in den Geschwindigkeitskonstanten festgestellt, wenn Teilchen verschiedener Isotopenzusammensetzung miteinander reagieren.

Bisher nahm man an, daß es Symmetrieeffekte sind, die bestimmte Isotopzusammensetzungen bevorzugen und andere nicht. Die MPI-Forscher konnten jetzt zeigen, daß die Symmetrie des gebildeten Ozons keine Rolle spielt. Stattdessen ist es die Natur der Stoßprozesse zwischen den Molekeln, die in der gleichen Zeit mehr von einer bestimmten Isotopzusammensetzung entstehen läßt als von einer anderen. So reagiert ein ¹⁶O-Atom viel schneller mit einem Molekül aus zwei ¹⁸O als ein ¹⁸O-Atom mit einem Molekül aus zwei ¹⁶O. Wäre der Effekt symmetriebedingt, müßte die Geschwindigkeit beider Reaktionen gleich sein.

Die Schlußfolgerungen aus diesen Messungen eröffnen für die Forscher einen neuen Weg, den Isotopeneffekt des Ozons theoretisch zu deuten. Das könnte zu weiteren Erkenntnissen in der Chemie der Atmosphäre führen, in der Ozon als wichtigstes Spurengas eine große Rolle spielt.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 24.7.1998
"Ohne Ansehen der Masse"

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