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Beobachtung der Fieberkurve des Kohlendioxid

1. Mace Head - Atmosphären-Beobachtung an der irischen Atlantikküste - Photo: Tim Lueker, SIO
 

 Messungen in Mace Head

An der Westküste Irlands, am Nordende der Galway Bay, finden wir an einem einsamen Ort in der Landschaft ein kleines Häuschen. Es könnte wohl das Zuhause eines Schäfers sein, ist aber voll gepackt mit Instrumenten, die der Atmosphärenforschung dienen. Hier wird Kohlendioxid sowohl kontinuierlich gemessen, als auch in Einzelproben, die wöchentlich in 2L oder 2,5L Glasbehältern für die externe Analyse genommen werden.

Die Kohlendioxid-Konzentration wird im NOAA (Nationales Zentrum für Ozean- und Atmosphärenforschung der USA) in Boulder, Colorado, kalibriert und mit Hilfe von Gaschromatographen gemessen. In diesem sogenannten Referenz-Labor werden Vergleiche mit anderen Laboren weltweit angestellt. Weitere Proben aus Mace Head werden in einem französischen Labor mittels Massenspektrometrie untersucht. Die irische Station ist Teil des sogenannten Global Atmosphere Watch Netzwerkes, das atmosphärische Daten weltweit erfasst: Mischungsverhältnisse von Kohlendixoid, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Distickstoffmonoxid (Lachgas) u.a..

4. Klassische Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie ist eine Methode, Moleküle verschiedener Masse durch Trennung in einem elektrischen Feld zu analysieren. Durch Elektronenbeschuss wird aus den Molekülen ein Elektron herausgeschlagen, sodass sie positiv geladen sind. Die geladenen Moleküle (Ionen) passieren ein elektrisches Feld, in dem sie entsprechend ihrer Masse abgelenkt werden und auf einen Detektor treffen oder aber auf die Wände des felderzeugenden Geräteblocks prallen. Durch eine Veränderung der Feldstärke können verschiedene Massen getrennt und detektiert werden.

 Was hat einen Einfluss auf die CO₂ Konzentration?

Grundsätzlich breitet sich Kohlendioxid weltweit relativ gleichmäßig aus und die Mischungsverhältnisse an verschiedenen Orten unterscheiden sich absolut nur um einige millionstel Anteile (ppm = parts per million), relativ also um wenige Prozent. Sehr genaue Daten jedoch werden durch lokale Quellen oder Senken von CO₂ beeinflusst. So wird z.B. in großen Städten und Kraftwerken eine Menge des Treibhausgases emittiert. Mace Head liegt direkt am Ozean. Hier kann Phytoplankton (Algen) Kohlendioxid aufnehmen und nach dem Absterben einen Teil mit zum Meeresgrund nehmen. Während der Wachstumszeit sind auch die großen Wälder Senken für CO₂ und wandeln es in Biomasse um.

Ziehen wir solche Faktoren und menschliche Einflüsse in Betracht, so beobachten wir, dass CO₂ Werte einer jahreszeitlichen Schwankung unterliegen. Es kann aber auch zu kurzzeitigen 'Störungen' kommen, wie die hoch aufgelösten Messungen der Station Barrow (Alaska) links zeigen.

Gerard Spain ist Wissenschaftler in Mace Head und antwortete auf unsere Frage, wie es ermöglicht werden kann, dass bei den wöchentlichen Probenahmen nur reine Luft ohne Störungen (sogenannte 'Hintergrund-Luft') gemessen wird.

"Die Behälterproben werden in der Regel nur unter den Bedingungen reiner Hintergrundluft genommen. Sollte einmal keine Hintergrundluft genommen werden, so geschieht dies, um ein Beispiel für Festlandsluft (z.B. aus den Industrieregionen Europas) zu haben oder einfach, um eine große Lücke in der Datenaufzeichnung zu vermeiden. In beiden Fällen wird dies notiert und die Proben werden nicht zur Ermittlung des Hintegrundwertes herangezogen.
Um zu vermeiden, dass zufällig verschmutzte Luft gesammelt wird, werden die Wetterberichte und die Vorhersagen mittels Trajektorien berücksichtigt (dies sind Vorausberechnungen, wo die Luft herkommt), um geeignete Tage für die Probenahme auszuwählen. Außerdem messen wir viele Spurengase und Partikel in der Luft in Echtzeit oder nahezu Echtzeit. Diese können als Maßstab dienen, wie 'sauber' eine Luftmasse ist. Schließlich werden Rücktrajektorien (Computerberechnungen über den Ursprung der Luftmassen) herangezogen, um zu ermitteln, aus welchen Quellgebieten die Luft kam. Hierdurch kann zusätzlich abgesichert werden, dass es sich um Hintergrundluft handelt."

 Probleme der analytischen Wissenschaft

Woran müssen wir als Wissenschaftler denken, wenn es darum geht CO₂ Mischungsverhältnisse zu messen? Einige Regeln guter Analytik sind auch für die Experimente in der Schulklasse wichtig.

Sammlung:
 
Die meisten Fehler werden bei der Probenahme gemacht. Proben sollten z.B. nicht direkt in einer Abgas-Fahne genommen werden. Stellt euch vor, ihr messt den CO₂ Wert in eurer Klasse am Ende der Schulstunde. Welches Ergebnis im Vergleich mit Reinluft im Feld wäre zu erwarten?
Wir müssen überlegen, ob der Ort der Probenahme typisch für die Region ist und ob der hier gemessene Wert wohl auch an anderen Orten in der weiteren Umgebung gültig ist. Zeigt eine Substanz starke jahreszeitliche Schwankungen oder gar einen Tagesgang, so können wir aus nur einer Probe im Jahr oder Monat keine Rückschlüsse ziehen.

Verunreinigung:
 
Ist das Sammelgefäß sauber und frei von Rückständen älterer Proben? Gefäße sollten evakuiert und/oder gespült werden. Können Substanzen an den Gefäßwänden haften bleiben, wenn die Probe für längere Zeit aufbewahrt wird? Die Luft der Probe darf nicht mit der Laborluft in Berührung kommen, in der das Messgerät steht.

Vergleichsprobe (Referenz):
 
Kohlendioxid wird mit einer anderen kalibrierten Probe verglichen, der Referenz. Die Zusammensetzung der Referenzprobe könnte sich über längere Zeit verändern. Die Referenz muss sauber hergestellt worden sein.

Messgerät:
 
Ist das Messgerät hinreichend genau? Können z.B. CO₂ und N₂O (beide sind stabile Treibhausgase) gleichzeitig mit einem einfachen Massenspektrometer bestimmt werden?

Wissenschaftler verbringen oft einen erheblichen Anteil ihrer Forschungszeit damit, Techniken zu verbessern und die aufgezählten Fehler zu vermeiden. Heute sind z.T. sehr gute Messgeräte verfügbar, Fehler können aber immer noch schnell durch Leichtfertigkeit bei der Sammlung, Verunreinigung oder Referenzprobleme gemacht werden.

Autor: Elmar Uherek
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz