Gaschromatograph-Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (GC-IRMS)
Final Report Abstract
Mit dem beschafften Gaschromatograph-Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (GC-IRMS) werden die Verhältnisse stabiler Isotope in einzelnen organischen Spurengasen bestimmt. Die Messung stabiler isotopenverhältnisse liefert wichtige Informationen über Spurengase in der Atmosphäre. So lässt sich deren Herkunft ermitteln, die Art der chemischen Umwandlung in der Atmosphäre untersuchen sowie das mittlere Alter der Moleküle in der Atmosphäre bestimmen. Mit dieser Methode werden flüchtige organische Verbindungen untersucht, die aus anthropogenen und natürlichen Quellen in die Atmosphäre abgegeben werden. Die Vielzahl dieser Verbindungen, ihre unterschiedlichen Quellen und die unterschiedlichen Lebensdauern (von wenigen Minuten bis Monaten) bieten vielfältige Möglichkeiten, atmosphärische Prozesse detailliert zu untersuchen. Da das Instrument für den Einsatz auf fliegenden Plattformen zu groß und zu schwer ist, wurden spezielle Luftprobensammler entwickelt und gebaut, mit denen großvolumige Gesamtluftproben für die anschließende Analyse mit dem Gerät gesammelt werden können. Für die Sammlung von Luftproben wurde in einem ersten Schritt der Luftprobensammler ZEBIS für den Einsatz auf einem Zeppelin entwickelt. Der Luftprobensammler wurde erstmalig im Rahmen des internationalen Feldexperiments COPS/TRACKS im Juli 2007 erfolgreich eingesetzt. Ziel von COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study) war die Untersuchung der für Niederschlag relevanten Prozesse über Mittelgebirgsregionen. TRACKS (Transport und chemische Umwandlung in konvektiven Systemen) beschäftigte sich mit der Bedeutung der Konvektion für den Spurenstofftransport und die Gewinnung von Datensätzen zur Optimierung von Modellen des konvektiven Transports von Spurenstoffen. Der zweite erfolgreiche Einsatz von ZEBIS erfolgte im Oktober /November 2008 im Rahmen der Messkampagne ZEPTER-2 über der Bodensee-Region. Dort wurden mit dem Zeppelin Untersuchungen der regionalen Photochemie und Luftqualität über verschieden genutzten Landflächen durchgeführt. Für diese Untersuchungen wurden lokal begrenzte Messflüge über dem Bodensee, Städten und Waldgebieten durchgeführt sowie großräumige Messflüge, in denen alle genannten Landnutzungsflachen überflogen wurden. Die dabei gesammelten Luftproben wurden anschließend mit dem GC-IRMS analysiert. Die Auswertung der Ergebnisse ist inzwischen abgeschlossen. In Zusammenhang mit diesen Projekten wurde darüber hinaus eine erste Studie zu den Isotopenverhältnissen der VOC am Ort der Emission durchgeführt. Diese Information ist für die Interpretation der Messungen in der Atmosphäre, speziell für die Bestimmung von Transportund Aufenthaltszeiten von VOC, essentiell. Der Luftprobensammler wurde im August 2010 in einer modifizierten Version bei der VERDRILLT-Kampagne (VERtical Distribution of Radicals In the Lower Layers of the Troposphere) in ein Forschungsflugzeug vom Typ CASA 212 AR integriert. Über verschiedenen Regionen Spaniens wurden Spurengaskonzentrationen zur Untersuchung von Photochemie und Transportprozessen gemessen. Die dabei gesammelten Luftproben sind inzwischen analysiert, die Ergebnisse werden derzeit im Rahmen einer Doktorarbeit ausgewertet. Die Funktionsfähigkeit des speziell für HALO entwickelten Luftprobensammmlers MIRAH wurde im Rahmen einer technischen Kampagne (TECHNO-Mission) mit dem Forschungsflugzeug HALO erstmals unter normalen Einsatzbedingungen getestet. Der Jungfernflug fand am 28. Oktober 2010 statt, was gleichzeitig der erste HALO-Flug mit wissenschaftlichen Nutzerinstrumenten an Bord war. Auf den insgesamt vier Flügen arbeitete der Luftprobensammler zuverlässig und fehlerfrei. Es konnten nicht nur sehr wichtige Erfahrungen im Flugbetrieb des Geräts, sondern auch bis zu 24 Luftproben auf jedem einzelnen Flug gesammelt werden. Die Luftproben wurden inzwischen auf die Konzentrationen und Isotopenverhältnisse von VOC analysiert. Die Ergebnisse werden derzeit weiter ausgewertet. Im Zusammenhang mit diesen Missionen wurden die Methoden zur Analyse der VOC mit dem GC-IRMS weiterentwickelt und das Spektrum der messbaren VOC erheblich erweitert. Parallel dazu wird ein neues Softwarepaket für die Auswertung der Chromatogramme entwickelt. Im Jahr 2010 wurde eine Ansaugleitung vom Dach des Institutsgebäudes in das Isotopenlabor gelegt. Diese Leitung wird kontinuierlich mit Außenluft gespült und erlaubt in Zukunft in-situ-Messungen stabiler Isotopenverhältnisse in VOC. In Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Umwelt, Natur und Verbraucherschutz des Landes NRW (LANUV) wird ein Ultraschall-Anemometer auf dem Dach des Nachbargebäudes betrieben, das mit hoch zeitaufgelösten Messungen von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Temperatur sowie daraus abgeleiteten Parametern weitere Analysen zur Herkunft der VOC ermöglicht.
