GERSTEL Aktuell Nr. 47 - Gerstel GmbH & Co.KG

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Heterosphäre Homosphäre Ionosphäre km 1000 800 600 400 200 100 80 60 40 20 10 8 6 4 2 1 0 Hochgebirge Ozonschicht GEOPHYSICA** HALO*** km 1000 800 600 400 200 100 80 60 40 * ISS: Internationale Raumstation, ** GEOPHYSICA: Russisches Höhenforschungsflugzeug, *** HALO: High Altitude and LOng Range Research Aircraft, PEGASOS: Pan-European Gas-AeroSOls-climate interaction Study ISS* 20 10 8 6 4 2 1 0 Exosphäre Thermopause Thermosphäre Mesopause Mesosphäre Stratopause Stratosphäre Tropopause Troposphäre Meeresspiegel Copyright: GDeußing, Neuss (www.pressetextkom.de) Infografik: PauraDesign, Hagen (www.paura.de) Mit freundlicher Unterstützung von Professor Ralf Koppmann, Bergische Universität Wuppertal. Als Erdatmosphäre bezeichnet man die Gashülle unseres Planeten. Die Bezeichnung „Sphäre“ ist griechischen Ursprungs und lässt sich mit „Hülle“ oder „Ball“ übersetzen. Die Erdatmosphäre setzt sich aus mehreren Sphären zusammen, die sich unter anderem in Dichte, Druck und Temperatur grundlegend voneinander unterscheiden. In der bodennahen Troposphäre, die rund drei Viertel der Luftmasse und fast den gesamten Wasserdampf enthält, laufen alle wetterrelevanten Phänomene wie Wind und Wolkenbildung ab. Die Temperatur sinkt mit steigender Höhe; sie liegt an der höchsten Stelle der Troposphäre bei minus 60 °C. Der Übergang von der Troposphäre in die Stratosphäre wird als Tropopause bezeichnet. Für Atmosphärenphysiker ist dieser Bereich von großem Interesse, da noch nicht vollständig aufgeklärt ist, wie der Übergang von biogenen oder anthropogenen Emissionen von der Troposphäre in die darüberliegenden Schichten erfolgt. Besonderes Merkmal der Stratosphäre ist der deutliche Anstieg der Ozonkonzentration, deren Maximum in einer Höhe von etwa 30 Kilometern erreicht ist. Da Ozon für uns schädliches kurzwelliges Sonnenlicht absorbiert, ist die Temperaturverteilung der Stratosphäre nicht homogen. In unteren Bereich gleicht sie in etwa jener der Troposphäre, im oberen Bereich aber steigt sie aufgrund der Aufnahme von Sonnenenergie auf etwa 0 °C an. die komplexen dynamischen Vorgänge verstanden, Stofftransportwege erkundet und aufgeklärt werden, um die Atmosphäre so vollständig wie möglich zu beschreiben“, betont der Wissenschaftler. Gerade weil die Atmosphäre für den Menschen existenziell ist, sei es von grundlegender Bedeutung, die in ihr ablaufenden Prozesse in ihrer Gesamtheit und damit auch die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Erdoberfläche, der Biosphäre, den Ozeanen und der Atmosphäre möglichst genau zu verstehen. Keine Tat bleibt ohne Folgen Die Atmosphäre umhüllt unseren Planeten wie ein zarter Hauch, im Vergleich zur Erde ist sie nur von sehr geringer Größe. Bei der Atmosphäre handelt es sich nicht um eine homogene Phase, bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid sowie in Spuren vorkommenden Gasen. Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren angrenzenden Schichten, wobei die bodennahe luftreichste Troposphäre (bis 15 km Höhe) und die darauf folgende Stratosphäre (bis 50 km), in der sich die schützende Ozonschicht befindet, sowie die zwischen Troposphäre und Stratosphäre liegende Grenzschicht derzeit besonders im Fokus von Professor Koppmann liegen. „Alles, was wir Menschen in Bodennähe emittieren“, betont der Wissenschaftler, „landet in der Troposphäre und vieles davon früher oder später auch in der Stratosphäre.“ Die mangelnde Kenntnis von den Zusammenhängen und Prozessen in der Atmosphäre kann gravierende Folgen für Mensch und Umwelt haben, wie das Ozonloch verdeutlicht: „Wir haben über Jahrzehnte im großen Stil Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) als Treibmittel eingesetzt und in die Atmosphäre geblasen. Den Schaden, den wir dabei in der Stratosphäre angerichtet haben, werden wir wohl auch dann noch feststellen, wenn der letztmalige FCKW-Einsatz schon Jahrzehnte zurückliegt“, meint Professor Koppmann mit Blick auf das „Langzeitgedächtnis“ der Erdatmosphäre, ohne außer Acht zu lassen, dass Mutter Natur auch über starke Selbstheilungskräfte verfügt. Ralf Koppmanns Arbeitsgebiet ist die Atmosphärenphysik. Allerdings bedient er sich der instrumentellen chemischen Analytik, etwa um dem Stofftransport in der Atmosphäre auf die Spur zu kommen. Der Physiker und sein zwanzigköpfiges Team nutzen dazu die Gaschromatographie in Verbindung mit der massenselektiven Detektion nach vorangegangener „megamäßiger“ Ther- Blick ins Labor der Wuppertaler Atmosphärenforscher: Das GERSTEL-TDS-G-Large nimmt eine zentrale Position ein. 8 GERSTEL Aktuell – Dezember 2013
„Stabile Isotopenverhältnisse stellen eine Art Fingerabdruck für Prozesse dar, welche die Konzentration und die Verteilung eines Spurengases beeinflussen. “ Prof. Ralf Koppmann modesorption mit einem von GERSTEL entwickelten und gebauten ThermalDesorptionSystem der Marke „TDS-G-Large“. Damit werden flüchtige organische Verbindungen (VOC), die Tracer für atmosphärische Prozesse sind, aus Luftproben extrahiert [1]. Im Fokus steht insbesondere die Isotopenzusammensetzung dieser Verbindungen, die eine Art „Fingerabdruck“ in der Atmosphäre ablaufender Prozesse darstellt. Isotope – ähnlich, aber nicht gleich www.gerstel.de Spurengase wie die flüchtigen organischen Verbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Erdatmosphäre. Chemische und dynamische Prozesse lassen sich oft nur indirekt messen, indem man die Konzentration und die Verteilung von Spurengasen sowie deren zeitliche und räumliche Änderungen misst. Oft ist es unmöglich, chemische Vorgänge wie photochemische Abbaureaktionen von dynamischen Vorgängen, der Änderung von Luftmassen durch Änderung der Windrichtung etwa, zu unterscheiden. Spurengase enthalten jedoch stabile Isotope: unterschiedliche Atome ein und desselben chemischen Elements. Isotope besitzen die gleiche Anzahl an Protonen im Kern, unterscheiden sich allerdings in der Zahl der vorhandenen Neutronen. Die Summe der Protonen und Neutronen, die Massenzahl, unterscheidet sich bei den verschiedenen Isotopen eines Elements. Bei Kohlenstoff beispielsweise kennen wir die natürlichen Isotope mit der Massenzahl 12 ( 12 C; natürlicher Prozentanteil 98,89 %), Massenzahl 13 ( 13 C; natürlicher Prozentanteil 1,11 %) und Massenzahl 14 ( 14 C). In diesem Fall sind die Isotopen 12 C und 13 C stabil und nicht radioaktiv, während 14 C radioaktiv und instabil ist. 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 12 C-Isotope enthalten, werden eher umgesetzt als Verbindungen, in denen ein schweres 13C-Isotop vorkommt. „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 man weiß, dass sich Isotopenverhältnisse, je nach Ursprung, 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 Wenn es um die Extraktion organischer Spurengase aus großen Luftvolumina geht, setzt das GERSTEL-TDS-G-Large international Maßstäbe – ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung chemischer und physikalischer Prozesse in der Atmosphäre. Das Probennahme-Rack für die Verwendung an Bord eines Zeppelins oder Flugzeugs haben die Wissenschaftler um Professor Ralf Koppmann in Eigenregie entworfen und gebaut – unter Berücksichtigung aller für den Flugverkehr geltenden Bestimmungen. und damit mit der „Aufenthaltszeit“ der Moleküle in der Atmosphäre, allerdings auch im Verlauf dynamischer Prozesse, z.B. der Mischung von Luftmassen. Stabile Isotopenverhältnisse stellen somit eine Art Fingerabdruck für die Prozesse dar, welche die Konzentration und die Verteilung eines Spurengases beeinflussen. GERSTEL Aktuell – Dezember 2013 9
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