Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

verschiedenen Blitzlampen gezeigt. Bei den gemessenen Strömen fällt sofort ins Auge, dass die
Blitzlampe mit der größten Photonenenergie (und dem größten Photonenfluss, siehe Abb. 29.1)
die größten Photoelektronenströme zeigt und dabei den größten Höhenbereich überdeckt. Ferner
ist zu erkennen, dass für diese Blitzlampe die Photoionisation von NO oberhalb von 95 km Höhe
einen wesentlichen Beitrag zum Photoelektronenstrom liefert. Dies konnte in diesem Flug erstmalig
quantitativ nachgewiesen werden, da eine unabhängige Messung von NO mit Photometern der
Universität Stockholm eine direkte Quantifizierung dieses Stromes erlaubt. Außerdem deutet die
Tatsache, dass mit allen drei Blitzlampen MSP detektiert werden konnten, darauf hin, dass die
Austrittsarbeit der Partikel bei etwa 5 eV liegt. Bei den Verhältnissen der Photoelektronenströme
fällt ferner auf, dass diese eine deutliche Höhenvariation zeigen, die auf eine Höhenvariation der
Eigenschaften der MSP hindeutet.
Auf der Grundlage der verfügbaren mikrophysikalischen Modelle von Meteorstaub erwartet
man vor allem eine mit der Höhe abnehmende Größe der Partikel. Dies kommt von der Annahme,
dass kleinste Partikelmonomere in der Höhe der Meteorablation (also ca. 90 km) gebildet werden,
welche dann sedimentieren und dabei durch Koagulationsprozesse anwachsen. Eine solche höhenabhängige
Größenvariation kann allerdings nur dann einen Effekt auf die gemessenen Verhältnisse
von Photoelektronenströmen haben, wenn sich mit der Größenvariation auch die mikrophysikalischen
Eigenschaften dieser Nanopartikel ändern. Eine solche Änderung, die sich sogar direkt aus
der klassischen Betrachtung solcher Partikel ergibt, ist die Variation der Austrittsarbeit der Partikel
mit dem Partikelradius. Diese Größenabhängigkeit ist eine direkte Folge der Tatsache, dass
bei der Photoemission eines Elektrons Arbeit sowohl gegen die Bindungsenergie des Elektrons als
auch gegen das vom wegfliegenden Elektron induzierte Spiegelladungspotential geleistet werden
muss. Dieses ist für kugelförmige Partikel umso größer, je kleiner der Partikelradius ist.
Abb. 29.3: Theoretisch berechnete Verhältnisse von
Photoelektronenströmen unter der Annahme einer partikelgrößenabhängigen
Austrittsarbeit.
Benutzt man die oben erwähnte klassisch
erwartete Größenabhängigkeit der Austrittsarbeit
von MSP, um entsprechende
Verhältnisse von Photoelektronenströmen
zu berechnen, so ergibt sich das in Abb. 29.3
gezeigte Ergebnis. Dies zeigt, dass die erwarteten
Photoelektronenstromverhältnisse
mit abnehmender Partikelgröße (äquivalent
zu einer zunehmenden Höhe in der Atmosphäre)
zunehmen. Genau dies wird für das
gemessene Verhältnis der FX1162er-Lampe
zur FX1160er-Lampe (also der mit den energiereichsten
Photonen zu der mit den am
wenigsten energiereichen Photonen) beobachtet.
Im Fall der anderen aus Messungen
abgeleiteten Verhältnisse ist dieses Verhalten
auch ansatzweise erkennbar, aber weniger klar. Nichtsdestotrotz deutet der zumindest qualitativ
zufriedenstellende Vergleich von Beobachtung und Modell darauf hin, dass die Messungen in
der Tat einen Hinweis auf eine Höhenvariation der Austrittsarbeit der MSP liefern, was wiederum
auf eine Höhenvariation der Partikelgrößen hinweist.
In weiterführenden Arbeiten wird derzeit untersucht, ob sich die aus der klassischen Betrachtung
ergebende Größenvariation der Austrittsarbeit der Partikel auch durch quantenchemische
Berechnungen der Eigenschaften in Frage kommender Clustermoleküle reproduzieren lässt. Erste
Rechnungen, die von Herrn Prof. John Plane für uns an der Universität Leeds durchgeführt
wurden, weisen in der Tat darauf hin, dass dies der Fall ist. Diese Rechnungen sollen in Zukunft
auf weitere in Frage kommende Clustermoleküle ausgedehnt werden. Außerdem haben wir gemeinsam
mit Kollegen vom Physikalischen Institut der Universität Rostock einen Forschungsantrag
an die DFG gestellt, um die photoelektrischen Eigenschaften von MSP auch direkt im Labor zu
vermessen.
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