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Atmosphärenforschung

Thermodesorptions-GC beflügelt die Atmosphärenforschung

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Um dem Stofftransport in der Atmosphäre auf die Spur zu kommen, bedient sich Ralf Koppmann der instrumentellen chemischen Analytik. Der Physiker und sein 20-köpfiges Team nutzen dazu die Gaschromatographie in Verbindung mit der massenselektiven Detektion nach vorangegangener Thermodesorption mit einem speziell angefertigten Thermaldesorptionssystem der Marke Gerstel-TDS-G-Large. Damit lassen sich flüchtige organische Verbindungen (VOC), die Tracer für atmosphärische Prozesse sind, aus sehr großen Luftproben auf effiziente Weise extrahieren und anreichern [1]. Ein besonderes Interesse hegt Ralf Koppmann für die Isotopenzusammensetzung der VOC, die eine Art „Fingerabdruck“ für in der Atmosphäre ablaufende Prozesse darstellt.

Isotope – ähnlich, aber nicht gleich

Chemische und dynamische Atmosphärenprozesse lassen sich nur indirekt messen, etwa indem man die Konzentration und Verteilung von Spurengasen, hierzu zählen die VOC, sowie deren zeitliche und räumliche Änderungen bestimmt. Mitunter erweist es sich als schwierig, chemische Vorgänge wie photochemische Abbaureaktionen von dynamischen Vorgängen zu unterscheiden, etwa der Änderung von Luftmassen durch Änderung der Windrichtung. Spurengase enthalten allerdings stabile Isotope: unterschiedliche Atome ein und desselben chemischen Elements. Isotope besitzen die gleiche Anzahl an Protonen im Atomkern, unterscheiden sich aber in der Anzahl der Neutronen; und die Summe der Protonen und Neutronen, die Massenzahl, differiert bei den verschiedenen Isotopen eines Elements.

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Von Kohlenstoff etwa kennt man die natürlichen Isotope mit der Massenzahl 12 (12C; natürlicher Prozentanteil 98,89 %), 13 (13C; natürlicher Prozentanteil 1,11 %) und 14 (14C). 14C ist instabil und radioaktiv, 12C und 13C sind stabil und nicht radioaktiv.

Obschon ausgestattet mit vergleichbaren chemischen Eigenschaften, unterscheiden sich die Isotope eines Elements etwa in der Geschwindigkeit, mit der sie chemisch reagieren. Verbindungen, die nur die leichteren 12C-Isotope enthalten, werden eher umgesetzt als Verbindungen, in denen ein schweres 13C-Isotop vorkommt. Das bedeutet, „je länger sich die jeweilige Verbindung in der Atmosphäre befindet“, fügt Professor Koppmann der Erklärung an, „desto mehr verschiebt sich das Verhältnis zugunsten des schweren Isotops“. Da sich die Verhältnisse der Isotopen, gemäß ihres Ursprungs, unterscheiden, lassen sich die „Fundstücke“ ihren Quellen zuordnen – unter Berücksichtigung und Hinzuziehung meteorologischer Daten wie Windgeschwindigkeit und Windrichtung, erklärt der Wissenschaftler. Das Verhältnis von schweren zu leichten Isotopen hängt also von der Quelle der Spurengase ab; es ändert sich im Verlauf chemischer Reaktionen und mit der „Aufenthaltszeit“ der Moleküle in der Atmosphäre, allerdings auch im Verlauf dynamischer Prozesse, wie der Mischung von Luftmassen. Stabile Isotopenverhältnisse stellen somit eine Art Fingerabdruck für die Prozesse dar, welche die Konzentration und die Verteilung eines Spurengases beeinflussen.

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