Messung des O2/N2 Verhältnisses in Luft

© A. Schroll/BGC

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Kleine Veränderungen des Sauerstoffgehalts (O2) in der Luft geben Hinweise auf die Entstehung und den Verbleib von CO2 in der Atmosphäre. Eine CO2 Zunahme aufgrund von Oxidationsprozessen geht mit einer gleichzeitigen O2 Abnahme in der Luft einher. Aus den unterschiedlichen stöchiometrischen Verhältnissen dieser beiden Flüsse für unterschiedliche Prozesse wie Verbrennung fossiler Brennstoffe oder verschiedene biogeochemische Vorgänge lassen sich Rückschlüsse auf deren jeweilige quantitative Bedeutung ziehen. Daraus lässt sich ableiten, welcher Anteil des durch Verbrennung von fossilem Kohlenstoff entstandenen CO2 in der Atmosphäre verbleibt, welcher Anteil sich im Ozean löst oder in der terrestrischen Biosphäre gebunden wird. Die Sauerstoffabnahme ist relativ zur Gesamtmenge an O2 in der Luft nur sehr gering, aber messbar. Dabei wird statt der Sauerstoffkonzentration das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff (O2/N2) gemessen, da die Sauerstoffkonzentration auch durch Schwankungen der Konzentrationen anderer Bestandteile der Luft (wie z.B. CO2) beeinflusst wird. Stickstoff macht den größten Anteil der Luft aus und wird nur zu einem vernachlässigbar geringen Anteil in andere Verbindungen umgesetzt.

© A. Schroll/BGC

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Das O2/N2 Verhältnis von Probenluft, die mit speziellen Glasbehältern (Flasks) an Messtationen gesammelt wurde, wird mit einem für diese Art von Messungen entwickelten Massenspektrometer (ThermoFischer deltaV) gemessen. Da die Herstellerspezifikationen des Gerätes für unsere Zwecke nicht ausreichend waren, haben wir eine umfangreiche Messperipherie selbst entwickelt und automatisiert.Die Probeluft wird über eine dünne Kapillare in das Massenspektrometer eingelassen und die in der Luft enthaltenen Moleküle werden mit Hilfe eines Glühfilaments ionisiert. In einem elektrischen Feld werden diese geladenen Moleküle beschleunigt, fokussiert, mittels ionenoptischer Elemente massenselektiert und mit massenspezifischen Detektoren nachgewiesen. Die Massenseparation erfolgt mit einem starken Elektromagneten, der die Ionen nach dem Verhältnis ihrer Masse zu ihrer Ladung trennt. Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, werden alle Proben im stetigen Wechsel mit einer Referenzluftprobe vermessen. Alle Proben sowie Messstandards werden mit den gleichen Methoden unter den gleichen Bedingungen gemessen.

© M. Eritt/BGC

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Angegeben werden die gemessenen Werte als Abweichung zu einem Referenzstandard in der δ Notation in einheitenlosen perMeg (1perMeg=0.000001), wobei δ(O2/N2) =((O2/N2)Probe-(O2/N2)Referenz)/ (O2/N2)Referenz). Als weltweite Referenz dient die SIO (Scripps Institution Oceanography) Kalibrierskala, deren primäre Standardgase Druckluftproben aus dem Jahr 1990 sind, die dort zeitgleich mit dem Beginn der ersten Messungen der seither kontinuierlichen O2/N2 Zeitreihen abgefüllt wurden.

Die Kalibrierung der O2/N2 Messungen in unserem Labor wird über den Vergleich mit Messstandards (Luftproben mit genau definierten Zusammensetzungen) erzeugt. Diese wurden in dem für diese Spezies weltweit zuständigen zentralen Kalibrierlabor am SIO vermessen und den Zentrallaboren der verschiedenen weltweiten Messnetze zur Verfügung gestellt. Die Übereinstimmung der Skalen zwischen den Messnetzen wird regelmäßig durch Ringversuche überprüft bei denen dieselben Luftproben an verschiedenen Laboren weltweit vermessen werden. Die angestrebte Übereinstimmung der Messungen soll Grenzen nicht überschreiten, die von der WMO Expertengruppe in den Übereinstimmungszielen (compatibility goals) definiert sind. Für δ(O2/N2) ist das Ziel, dass die Daten des Verhältnisses von Sauerstoff zu Stickstoff auf ±2 perMeg = 0.000002 genau miteinander vergleichbar sind. Diese Messungen sind sehr sensitiv auf eine Vielzahl von äußeren Einflüssen wie z.B. Temperatur und Luftdruckschwankungen.

Die Messergebnisse werden innerhalb ICOS an das Atmospheric Thematic Center in Paris/Frankreich geliefert und über das ICOS Carbon Portal in Lund/Schweden der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

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