Kennen und schätzen einander seit vielen Jahren: Professor Ralf Koppmann (r.) und GERSTEL-Entwicklungsleiter Dirk Bremer.
Aufbau der Atmosphäre
Blick ins Labor der Wuppertaler Atmosphärenforscher: Das GERSTEL-TDS-G-Large nimmt eine zentrale Position ein.
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.
Professor Ralf Koppmann untersucht Luftproben, die vom Zeppelin oder Flugzeug aus, in einigen hundert Metern Höhe gesammelt wurden. Deren Analyse erfolgt später im Labor an der Universität Wuppertal mittels TDS-G-Large-GC/IRMS.
Atmosphärenphysik

Die Arbeitsgruppe Atmosphärenphysik der Bergischen Universität Wuppertal befasst sich mit der Dynamik der Atmosphäre auf verschiedenen Skalen: von der planetaren Grenzschicht bis zur freien Troposphäre, der Kopplung zwischen unterer, mittlerer und oberer Atmosphäre sowie den Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die Atmosphäre. Im Rahmen ihrer Forschungs- und Entwicklungsprojekte beschäftigt sich die Arbeitsgruppe mit folgenden Themen:

  • Entwicklung und Einsatz massenspektrometrischer Verfahren zur Untersuchung von Chemie und Dynamik der Atmosphäre
  • Messung der Verhältnisse stabiler Isotope in Spurenstoffen
  • Flugzeug- und zeppelingestützte Messungen von Spurengasen zur Untersuchung dynamischer Prozesse
  • Bodengestützte Fernerkundungsverfahren zur Untersuchung von Langzeittrends und Dynamik der Mesosphäre und Thermosphäre
  • Klima und Wetter im Sonne-Erde-System aus Boden- und Satellitenmessungen
Kontakt
Bergische Universität Wuppertal
Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften
Fachgruppe Physik / Arbeitsgruppe Atmosphärenphysik
Gaußstraße 20
D-42119 Wuppertal
Deutschland
Telefon +49-202-439-2605
Telefax +49-202-439-2680
E-Mail: koppmann@uni-wuppertal.de
Web: www.atmos.physik.uni-wuppertal.de

Labor im Porträt:
Atmosphärenphysik, Bergische Universität Wuppertal

Pfadfinder der Lüfte

Die Atmosphäre ist die wunderbare, überaus komplexe, immer noch nicht vollständig verstandene Lufthülle unseres Planeten. Eine der Fragen, mit denen sich die Atmosphärenforschung derzeit intensiv beschäftigt, gilt dem Stofftransport, etwa von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC). Wie und in welcher Zeit verteilen sich Spurenstoffe wie die VOC in der Atmosphäre? Es bedarf der Kenntnis der chemischen aber auch der physikalischen Prozesse wie den Transportmechanismen und -wegen, um die Atmosphäre hinreichend zu verstehen und Modelle entwerfen zu können, die helfen, die Verteilung von Schadstoffen nachzuvollziehen oder das Klima vorherzusagen. Hier setzt die Arbeitsgruppe Atmosphärenphysik der Bergischen Universität Wuppertal unter Leitung von Professor Ralf Koppmann Maßstäbe.

Wenn in China der sprichwörtliche Sack Reis umfällt, mag das für uns ohne Bedeutung sein. Wenn aber irgendwo auf der Welt Radioaktivität entweicht oder ein Vulkan ausbricht und Asche in die Atmosphäre spuckt, sind wir unweigerlich betroffen. Jüngste Beispiele dafür sind die Nuklearkatastrophe im japanischen Kernkraftwerk Fukushima im Jahr 2011 oder der Ausbruch des Eyjafjallajökull auf Island im Jahr 2010. Dessen Vulkanaschewolke, genährt aus einer scheinbar endlosen Eruption, verteilte sich über die nördliche Hemisphäre und brachte den Luftverkehr in Nord- und Mitteleuropa zum Erliegen. Tausende Menschen saßen an Flughäfen und Urlaubsorten fest, Güter wurden nicht ausgeflogen, Airlines und Unternehmen, die mittel- oder unmittelbar mit dem Flugverkehr zu tun haben, mussten finanzielle Einbußen hinnehmen.
„Um die Auswirkungen und Folgen eines Vulkanausbruchs in der Dimension eines Eyjafjallajökull einschätzen und angemessen reagieren zu können, muss man wissen, wie und in welcher Zeit sich Vulkanasche oder andere luftgetragene Partikel und Schadstoffe in der Atmosphäre verteilen“, erklärt Professor Ralf Koppmann, Leiter der Arbeitsgruppe Atmosphärenphysik an der Bergischen Universität in Wuppertal. Es genüge nicht, nur die chemischen Abläufe der Atmosphäre zu untersuchen, „es müssen auch 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“ Thermodesorption 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

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 (12C; natürlicher Prozentanteil 98,89 %), Massenzahl 13 (13C; natürlicher Prozentanteil 1,11 %) und Massenzahl 14 (14C). In diesem Fall sind die Isotopen 12C und 13C stabil und nicht radioaktiv, während 14C 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 12C-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 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.

Technische Herausforderung meistern

Um die Isotopenzusammensetzung extrem niedrig konzentrierter Spurengase messen zu können, müssen sie aus großvolumigen Luftproben extrahiert werden. Dazu bedarf es einer ausgefeilten Probenvorbereitung. Noch zu seiner Zeit am Forschungszentrum Jülich trat Ralf Koppmann mit der Frage an GERSTEL heran, ob es möglich sei, flüchtige organische Verbindungen aus einer großen Menge Luft auf effiziente Weise, sprich: in akzeptabler Zeit, zu extrahieren und mittels GC/MS zu analysieren. Grundsätzlich könne er ihm die Online-Version des GERSTEL-ThermalDesorptionSystems (TDS-G) empfehlen, ein Gerät, das wie gemacht sei für die lösemittelfreie thermische Extraktion von VOC aus gasförmigen Matrices, habe er damals Ralf Koppmann sinngemäß gesagt, erinnert sich Dirk Bremer, Entwicklungsleiter bei GERSTEL. Allerdings habe die Frage des Professors auf eine große Flussrate abgezielt: TDS und TDS-G seien für einen Volumenstrom von etwa 100 Millilitern pro Minute ausgelegt; was Ralf Koppmann suchte, lag im Bereich von mehreren Litern in derselben Zeiteinheit.
Diese Herausforderung spornte die GERSTEL-Entwicklungsabteilung an, eine passgenaue Lösung zu erarbeiten. Bernd Rose, Leiter und kreativer Kopf der mechanischen Entwicklung, orientiert sich bei der Umsetzung an den Vorgaben des Auftraggebers. „Die flüchtigen organischen Zielanalyten sollten aus bis zu 100 Litern Luft extrahiert und auf einem geeigneten Adsorbens angereichert werden. Gleichzeitig sollten störendes Wasser und Kohlendioxid eliminiert und die VOC angereichert werden, gegebenenfalls in zwei Stufen“, bilanziert Bernd Rose. Das erforderte die Installation von wenigstens vier Kühl- beziehungsweise Heizfallen. Hinzu kam, dass die thermische Extraktion und Desorption so wenig Zeit wie möglich erfordern und idealerweise die nächste Probe thermisch extrahiert werden sollte, während die vorangegangene bereits in den GC injiziert wurde. Eine Aufgabe der GERSTEL-Entwickler war es folglich, eine Pneumatik zu entwickeln, die schnelle Kühlund Heizraten zuließ. Das Ergebnis, nach Abschluss intensiver Entwicklungsarbeit, konnte sich sehen lassen: ein Online-TDS-G im Übergrößenformat, das es in sich hatte und seine Aufgabe mit Bravour erfüllte, wie der Einsatz in der wissenschaftlichen Praxis der Atmosphärenphysik belegte. Inzwischen sind allein in Wuppertal und Jülich drei GERSTEL-TDS-G-Large im Einsatz. Damit werden VOC aus großvolumigen Luftproben aufbereitet, die anschließend mit Gaschromatograph- Isotopenverhältnis-Massenspektrometern (GC-IRMS) auf ihre Isotopenzusammensetzung untersucht werden [2]. Zum Einsatz kommen die Geräte etwa zur Untersuchung des Verbleibs von Autoabgasen, wie Professor Koppmann berichtet: 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 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 Missionen mit dem neuen Forschungsflugzeug HALO (High Altitude LOng Range Research Aircraft, siehe dazu auch Seite 11). 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, berichtet Professor Koppmann. Ein wichtiger Aspekt dabei sei, 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.

 

Literatur

[1] J. Williams, R. Koppmann: Volatile Organic Compounds in the Atmosphere: An Overview. in Volatile Organic Compounds in the Atmosphere, R. Koppmann (ed.), pp. 1-32, Blackwell Publishing Ltd., Oxford, 2007
[2] R. Iannone, R. Koppmann, J. Rudolph: A Technique for Atmospheric Measurements of Stable Carbon Isotope Ratios of Isoprene, Methacrolein, and Methyl Vinyl Ketone, J. Atmos. Chem., 58:181-202, doi:10.1007/s10874- 007-9087-5, 2007
[3] J. Wintel, E. Hösen, R. Koppmann, M. Krebsbach: Stable carbon isotope ratios of toluene in the boundary layer and the lower free troposphere, Atmos. Chem. Phys. 13:11059- 11071, 2013