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Atmosphärenforschung

Thermodesorptions-GC beflügelt die Atmosphärenforschung

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Technische Herausforderung meistern

Um die Isotopenzusammensetzung extrem niedrig konzentrierter Spurengase mittels Gaschromatographie-Isotopenmassenverhältnis-Massenspektrometrie (GC-IRMS) messen zu können, müssen sie aus großvolumigen Luftproben extrahiert werden. Dazu bedarf es einer ausgefeilten Probenvorbereitung und einer speziellen Extraktionstechnik, die es ermöglicht, auf effiziente Weise, sprich: in einer angemessenen Zeit, analytisch unübliche große Mengen Luft umzusetzen. Um die gewünschte hohe Fluss- und Extraktionsrate zu realisieren, wurde die Firma Gerstel, Experte auf dem Gebiet der lösemittelfreien Extraktion flüchtiger organischer Verbindungen aus gasförmigen Proben, ins Boot geholt. Nach eingehender Analyse der im Pflichtenheft formulierten Anforderungen, die u.a. eine Umsetzung von wenigstens 100 Litern Luftprobe, die Entfernung von Wasser und Kohlendioxid sowie eine effiziente Extraktion, Desorption und Analyse der Zielanalyten vorsah, ging das Unternehmen dazu über, sein für die Onlinemessung ausgelegtes Thermaldesorptionsystem (TDS-G) zu modifizieren und den Gegebenheiten anzupassen.

Das Ergebnis konnte sich, nach Abschluss intensiver Entwicklungsarbeit, sehen lassen: ein Online-TDS-G im Übergrößenformat, das seine Aufgabe bestens erfüllt, wie Ralf Koppmann sagt. Inzwischen sind allein in Wuppertal und am Forschungszentrum Jülich drei Gerstel-TDS-G-Large im Einsatz. Damit werden VOC aus großvolumigen Luftproben aufbereitet und anschließend die Isotopenzusammensetzung der extrahierten und angereicherten VOC mittels GC-IRMS bestimmt [2].

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Zum Einsatz kommen die Geräte etwa zur Untersuchung des Verbleibs von Autoabgasen, berichtet Prof. Koppmann: Bei einer ihrer Messkampagnen mit einem Zeppelin konzentrierten sich die Wuppertaler Wissenschaftler auf das Toluol (C7H8), das bei der Verbrennung von Treibstoff entsteht und mit den Autoabgasen in die Umwelt gelangt. Um Aufenthaltsdauer und Wege in der Atmosphäre zu bestimmen, betrachten die Wissenschaftler das stabile Isotopenverhältnis der jeweiligen Verbindung, das sie, bleiben wir beim Toluol, im Fall von Autoabgasen genau kennen, schildert Ralf Koppmann. Untersucht wurden pro Kampagne rund 40 Luftproben mit jeweils etwa 25 Litern Luft, die von einem Zeppelin aus zwischen dem Erdboden und etwa 600 Meter Höhe in Flugrichtung an einem Mast an der Gondel gezogen und in speziellen Kanistern gesammelt wurden [3].

Zahlreiche weitere Messkampagnen schlossen sich an, darunter eine in Spanien und zwei mit dem Forschungsflugzeug Halo (High Altitude LOng Range Research Aircraft). Weitere Kampagnen seien geplant mit dem Ziel, den Einfluss anthropogener und biogener VOC auf die globale Luftqualität und das Klima zu untersuchen. Schwerpunkt in den kommenden Jahren werden der asiatische Monsun und die Biomasseverbrennung in Afrika sein, sagt Ralf Koppmann. Ein wichtiger Aspekt dabei sei es, eine Antwort auf die Frage zu finden, wie VOC aus der Troposphäre durch die Grenzschicht in die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre vordringen: „Wir wissen immer noch nicht alles, aber es zeichnet sich ab“, schildert der Wissenschaftler, „dass Emissionen in der Troposphäre in bestimmten Situationen schnell in klimarelevante Bereiche der Atmosphäre transportiert werden.“ Die Lufthülle der Erde mag zwar einen begrenzten, überschaubaren Bereich darstellen, die Atmosphärenforschung aber sei alles andere als das: „Es gibt für uns noch viel zu erkunden, Neues und Interessantes zu entdecken“, prognostiziert Ralf Koppmann.

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