Flasklabor

Flasklabor

Im Flasklabor werden Proben mit der Methode der Gaschromatografie analysiert und die Konzentrationen von CO2, CH4, N2O, CO, H2, sowie SF6 bestimmt. Die wesentlichen Aufgaben sind:

  • Präzisionsanalyse von regelmäßig genommenen Luftproben an vom MPI-BGC betriebenen Hintergrund-Messstationen, die zur globalen Beobachtung von Treibhausgasen beitragen (s. rot eingetragene Stationen in Abb. 1)
  • Untersuchung von Proben aus verschiedenen atmosphärischen Messkampagnen (z.B. Flugzeug-Kampagnen)
  • Analyse von Spurengasen in Bodenluftproben von verschiedenen Versuchsstandorten oder Luftproben aus Laborexperimenten

MPI-Stationsmessnetz

Das MPI-BGC organisiert in Zusammenarbeit mit lokalen Partnern die regelmäßige Probennahme von atmosphärischer Luft an 12 Standorten weltweit (s. Abb. 1) und trägt damit zur globalen Beobachtung der Treibhausgastrends bei. Hier werden die Spurengasdaten der Stationen ALT, CVO, SIS, und ZOT dargestellt. Details zu allen Stationen, dem Probennahmeprogramm sowie die Messdaten sind im MPI-BGC Flask Report veröffentlicht.

Spurengaskonzentrationen
Dargestellt sind gültige Messdaten, rote Punkte bezeichnen Messpunkte, die statistisch signifikant von der Zeitreihe abweichen. mehr

Anforderungen an Treihausgasmessungen

Für viele wissenschaftliche Fragestellungen ist es notwendig, Daten aus unterschiedlichen Laboren gemeinsam zu interpretieren. Wesentlich für die wissenschaftliche Nutzbarkeit eines solchen Datensatzes ist daher die Übereinstimmung mit Daten anderer Messnetze innerhalb eines festgesetzten Genauigkeitsbereichs. Für diese Zielgenauigkeit gibt es von einer Expertengruppe der WMO Empfehlungen. Sie zu erreichen erfordert große Anstrengung bei der Qualitätssicherung. Dies gilt für die Eignung der verwendeten Materialien bei der Probennahme und Lagerung der Luftproben ebenso wie für die Genauigkeit der Messung. Für die Messgenauigkeit sind folgende Aspekte gleichermaßen wichtig:

Messmethode

Prinzipiell ist jede Analysenmethode geeignet, die eine Genauigkeit im Rahmen der notwendigen Zielvorgaben erreicht. Da für die Durchführung aller Analysen nur ein begrenztes Luftvolumen zur Verfügung steht, hat sich die Gaschromatografie zu einer etablierten Methode für diese Anwendung entwickelt. Für eine einzelne gaschromatografische Analyse der Konzentrationen aller Gase werden ca. 80 ml benötigt, so dass typischerweise 2-3 Wiederholungsmessungen durchgeführt werden können.

Die Gaschromatografie ist eine Technik, in der ein Stoffgemisch (z.B. Luft) mit einem Gasstrom durch ein langes Rohr ("Trennsäule") transportiert wird, das mit einem Material gefüllt ist, an dem unterschiedliche Bestandteile unterschiedlich stark haften bleiben (adsorbieren). Damit erreicht man, dass einzelne Komponenten der Luft nach Durchlaufen der Trennsäule von störenden anderen Bestandteilen abgetrennt einen Detektor erreichen, wo sie ein physikalisch messbares Signal hervorrufen. Dieses ist nur zur Konzentration dieser Komponente proportional. Für unterschiedliche Spurengase eignen sich jeweils spezifische, hochempfindliche Detektionsprinzipien. Eingesetzt werden:

  • Flammenionisations-Detektor (FID) für CH4 und CO2 (nach vorgeschalteter Reduktion zu CH4)
  • Elektron-Einfang Detektor (ECD) für N2O und SF6
  • Reduktions-Gas-Detektor (RGD) für CO
  • Pulsed-Discharge-Detector (PDD) für H2

Details der einzelnen Messmethoden werden in Kap. 4 des MPI-BGC Flask Report beschrieben.

Kalibrierung

Die Detektionsprinzipien resultieren darin, dass ein sehr kleines elektrisches Signal hervorgerufen wird, das sehr genau gemessen wird.

Ein wesentlicher Teil der Messung ist die genaue Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Konzentration des Analyten und der Signalgröße. Hierfür werden Vergleichsmessungen von Referenzgasen bekannter Zusammensetzung und Proben durchgeführt. Die Genauigkeit der Kenntnis der Gaskonzentration in diesen Referenzgasen ist eine der wesentlichen Limitierungen der Messgenauigkeit. Eine perfekte Richtigkeit der absoluten Konzentrationswerte ist für die meisten wissenschaftlichen Fragen aber nicht entscheidend - entscheidend ist vielmehr, dass alle Messdaten eines Messnetzes in sich, zwischen verschiedenen globalen Messnetzen und über viele Jahrzehnte hinweg in sehr hohem Maß konsistent sind. Dies wird erreicht, indem es weltweit ein von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) anerkanntes zentrales Kalibrierlabor gibt. Dieses muss gewährleisten, dass alle Messungen auf die physikalischen Grundeinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI) zurückverfolgt werden können. Die Anbindung an dieses SI-System gelingt durch primäre Referenzmaterialien, auf deren genau ermittelte Konzentrationswerte alle Messungen im Rahmen des WMO Global Atmosphere Watch Programms basieren. Diese Referenzstandards decken jeweils einen Konzentrationsbereich ab, der das Vorkommen der einzelnen Spurengase in der Atmosphäre umfasst, und werden als Kalibrierskala bezeichnet. Fortschritte in der Instrumententechnik, Erkenntnisse über kleine Veränderungen in diesen primären Referenzstandards oder Störeinflüsse anderer Komponenten können dazu führen, dass das WMO-CCL Korrekturen der Konzentrationsangaben dieser Primärstandards machen muss. Die zu verschiedenen Zeitpunkten gültigen Konzentrationsangaben werden durch den Skalen-Versionsnamen voneinander unterschieden.

Basis für die Messungen am  BGC-GasLab sind eigene Referenzgase, die vom WMO Central Calibration Laboratory seit 2001 regelmäßig eingemessen worden sind. Details zu diesen Referenzgasen sind in Tabelle 5 des MPI-BGC Flask Report angegeben.

Qualitätsbewertung

Zunächst unerkannte Probleme können zu Messergebnissen führen, die der tatsächlichen atmosphärischen Konzentration nicht entsprechen. Um solche Fehler zu erkennen, werden verschiedene Verfahren der Qualitätskontrolle durchgeführt:

  • Probennahme: Abfüllen von drei Luftproben in Serie und Prüfung der Übereinstimmung ihrer Ergebnisse
  • Lagerung: Überwachung des Argongehalts der Luft, der eine Veränderung der Probenzusammensetzung bei kleinen Lecks anzeigt
  • Messung: Durchführung von Kontrollmessungen bekannter Testgase, Teilnahme an internationalen Ringversuchen, Vergleichsmessung an denselben Proben mit anderen Laboren

Problembehaftete Messwerte werden dann entsprechend gekennzeichnet (mit einem sogenannten "Flag", einer "Warn-Flagge" versehen) und für die wissenschaftliche Auswertung nicht berücksichtigt. Probennahmeprobleme (z.B. Lecks in Ansaugleitungen oder Kontaminationen durch lokale Emissionen) lassen sich allerdings im Nachhinein nicht immer eindeutig erkennen. Daher wird zusätzlich mit statistischen Verfahren geprüft, wie gut die Übereinstimmung einer ermittelten Spurengaskonzentration mit der Trendfunktion der Zeitreihe von Messdaten an einer Station ist. Messpunkte, die von dieser Trendfunktion zu weit abweichen, werden ebenfalls entsprechend gekennzeichnet. Dies können auch gültige Messdaten sein, die aber durch Einflüsse sehr lokaler Prozesse am Probennahmeort kontaminiert wurden. Details und Ergebnisse der Qualitätskontrolle werden in den Kapiteln 5 und 6 des MPI-BGC Flask Report dargestellt.

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